linux的通信方案(SYSTEM V)

文章目录

      • 共享内存(Share Memory)
      • 信号队列（Message Queue）
      • 信号量(semaphore)

进程间通信的核心理念：让不同的进程看见同一块资源
linux下的通信方案： SYSTEM V

共享内存(Share Memory)

特点：1.共享内存是进程见通信最最快的
           2.可以提供较大通信空间
注意：共享内存由于裸露给所有使用者，因此是需要维护的

做法：去申请一块空间，让其映射到对应的不同进程的进程地址空间。
如图：
在这里插入图片描述

那么具体是怎么做的呢？

  • linux是生成一个特定的key,有key作为表示这块共享内存的唯一标识。
  • 不同进程在运行的时候凭借这个key拿到共享内存的shmid(类似于文件管理系统的fd)，进行挂接到自己的进程地址空间上。
  • 申请的空间是不会自己释放的，要么在程序里面用funtion控制，要么在外部手动释放

  • ipcs -m

  • #查看当前有哪些共享内存

  • ipcrm -m shmid

  • #删除对应的共享内存id

需要用到的系统调用：

shmget #创建共享内存
shmat # 挂接共享内存
shmdt # 取消挂接
shmctl # 操控这块共享内存
unlink # 删除文件

server:

#include "Common.hpp"class Init
{
public:Init(){bool r = MakeFifo();//用管道是为了进程进行时，具备一定顺序性。if (!r)return;key_t key = GetKey();shmid = CreatShm(key);std::cout << "shmid:" << shmid << "\n";// sleep(5);std::cout << "开始将shm映射到进程地址空间\n";s = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);fd = open(filename.c_str(), O_RDONLY);}~Init(){close(fd);std::cout << "将shm从进程地址空间移除\n";shmdt(s);std::cout << "将共享内存从操作系统中释放\n";shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);unlink(filename.c_str());}int FileDirection(){return fd;}const char *ShnPtr(){return s;}private:int shmid;int fd;char *s;
};int main()
{Init init;// struct shmid_ds ds;// std::cout<<std::hex<<ds.shm_perm.__key<<"\n";// std::cout<<ds.shm_nattch<<"\n";while (true){int code = 0;ssize_t n = read(init.FileDirection(), &code, sizeof(code));if (n > 0){std::cout << "共享读取：" << init.ShnPtr() << "\n";}else if (n == 0){break;}else{std::cerr << "读取错误，错误码：" << errno << "\n";}}return 0;
}

client

#include "Common.hpp"int main()
{key_t key = GetKey();int shmid = CreatShmHelper(key, IPC_CREAT | 0644);char *s = static_cast<char *>(shmat(shmid, nullptr, 0));std::cout << "attach shm done\n";int fd = open(filename.c_str(), O_WRONLY);for (int c = 0; c < 26; c++){s[c] = c + 'a';std::cout << "write:" << (char)c + 'a' << "done\n";sleep(1);int code = 1;write(fd, (char *)&code, sizeof(code));}// sleep(5);std::cout << "dettach shm done\n";shmdt(s);close(fd);return 0;
}

.h


#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <fcntl.h>const std::string pathname = "/home/fuh_cs/Desktop/cpp_learning/linux/ShareMemory/Common.hpp";
const int proj_id = 0x234;
const int size = 4096;
const std::string filename = "fifo";
key_t GetKey()
{key_t key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);if (key < 0){std::cerr << "errno:" << errno << ",errnostring:" << std::strerror(errno) << std::endl;exit(-1);}return key;
}int CreatShmHelper(key_t key, int flag)
{int shmid = shmget(key, size, flag); //共享内存也有权限也是需要设置的// EXCL保证创建时如果存在就会失败if (shmid < 0){std::cerr << "errno:" << errno << ",errnostring:" << std::strerror(errno) << std::endl;exit(2);}return shmid;
}int CreatShm(key_t key)
{return shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0644); //共享内存也有权限也是需要设置的
}int GetShm(key_t key)
{return shmget(key, size, IPC_CREAT); //共享内存也有权限也是需要设置的
}//为1创建成功
bool MakeFifo()
{int n = mkfifo(filename.c_str(), 0666);if (n < 0){std::cerr << "errno:" << errno << ",errstring" << strerror(errno) << std::endl;return 0;}std::cout << "mkfifo success..." << std::endl;return 1;
}

信号队列（Message Queue）

基于SYSTEM V的还有对应的信号队列（Message Queue），信号量
下面展示下Message Queue的简单使用代码。

基本的系统调用函数，在下面代码中有，具体使用可以通过man手册查询。

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/msg.h>
key_t GetKey()
{key_t key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);if (key < 0){std::cerr << "errno:" << errno << ",errnostring:" << std::strerror(errno) << std::endl;exit(-1);}return key;
}//消息队列也是存在于内核之中，不手动关闭的生命周期和内核一起int main()
{key_t key = GetKey();int msgid =  msgget(key,IPC_CREAT |IPC_EXCL);std::cout<<"msgid:"<<msgid<<'\n';struct  msqid_ds ds;std::cout<<ds.__msg_cbytes<<'\n';std::cout<<ds.msg_perm.__key<<'\n';//用msgsend来发送消息//用msgrcv来接受消息msgctl(msgid,IPC_RMID,nullptr);//也可以  ipcrm -q msgid 在bash删除return 0;}

信号量(semaphore)

前置知识：

  • 公共资源：多个执行流看见的同一份资源
  • 多个执行流访问同一份资源，就存在并发访问
  • 为了解决并发访问公共资源的问题，导致的数据不一致、脏读等问题，需要保护资源
  • 因此引发出互斥和同步
  • 互斥：同一时刻，只能有一个执行流访问资源，加锁完成
  • 同步：多个执行流按照预定的先后次序来访问公共资源
  • 被保护起来的资源，称为临界资源
  • 访问临界资源的执行流（或者代码），称为临界区
    分析：
  • 本质是个计数器
  • 当进程需要访问公共资源，先获取信号量，再去访问资源。（相当于信号量是获取资源的凭证，有了信号量，就一定会有资源）没获取信号量的进程，就阻塞等待。
  • 信号量如果被获取了，就没了，没被获取，就全部都在。是只有两种状态，二元性的。因此由此二元性，完成了互斥的功能
  • 不同的进程也需要看到同一份信号量，因此信号量也被纳入IPC体系，也就是说，信号量由操作系统提供
  • 我们知道SYSTEM V的资源是可以看见的，但是信号量是原子的(atomic,不可在分的)，即使被进程竞争的访问，也只会出现要么获取了，要么没获取信号量。不会出现获取半个的情况。这种原子的获取操作称之为P操作。相对应原子的释放，称之为V操作。
    信号量系统调用

semget
semctl
semop

linux内核看SYSTEM V设计的共享内存等通信方式
一般来说：

  • 内核里面有一个ipc_id_ary,其是一个柔性数组，存储了一个size表示大小和指针数组，size表示指针数组的个数
  • 这个指针数组所存的指针类型是 **kern_ipc_perm***的指针类型
  • 由SYSTEM V标准下设计出来的共享内存，信号队列等，内核里面都是由一个自己类型的结构体去管理的（例如：msg_queue，就是管理信号队列的结构体，Shmid_Kernel, 就是管理共享内存的结构体）
  • 而这些结构体的第一个元素，都被设计成相似的结构体（信号队列是:q_perm,共享内存是：shm_perm），这些结构体所包含的元素类型，其实和 kern_ipc_perm的结构体元素类型是一样的。
  • 这就使得我们存储kern_ipc_perm的指针，即使存了msg_queue的结构体指针，只需要通过强制类型转换，也是可以访问msg_queue结构体
  • 这样对SYSYTEM V设计下的共享内存，信号队列等可以统一管理
    上面这种内核的设计：实际就是利用了C语言的特点，实现了多态，有种通过父类指针访问子类的类似

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