Linux——进程间通信

目录

进程间通信介绍

什么是进程间通信

为什么要进行进程间通信

怎么做到进程间通信

管道

管道的原理

匿名管道

pipe函数

简单线程池

管道读写的规则

命名管道

创建一个管道文件

在代码中创建管道

在代码中删除管道

命名管道实现serve与client通信

system V共享内存

共享内存的原理

共享内存的创建

共享内存的释放

共享内存的挂接

共享内存去关联

示例

共享内存实现serve与client通信

共享内存的特点

共享内存带来的问题

进程间通信介绍

什么是进程间通信

        进程通信是指在进程间传输数据 (交换信息)。 进程通信根据交换信息量的多少和效率的高低，分为低级通信（只能传递状态和整数值）和高级通信（提高信号通信的效率，传递大量数据，减轻程序编制的复杂度）。简单说就是在不同进程直接传播或交换信息。

为什么要进行进程间通信

  • 数据传输：一个进程将数据发送给另一个进程。
  • 资源共享：多个进程共享同样的资源。
  • 通知：一个进程向另一个进程发送消息（进程终止通知父进程）。
  • 进程控制：某个进程想要控制另一个进程。

        进程间通信时很有必要的，原来我们写的都是单进程的，那么也就无法使用并发能力，也就无法实现多进程协同开发。

怎么做到进程间通信

         因为进程间具有独立性，所以想要通信不是那么容易，如果让两个进程可以看到同一份资源那就可以实现，但又这块空间不能属于任何一个进程，它应该是共享的。

管道

这是一种单向传输的方式，在这之中传输的都是资源，资源是什么，它就是数据。

管道的原理

管道通信其实是进程直接通过管道进行通信。

第一步：分别以读写方式打开同一个文件。

第二步：fork()创建子进程。

        创建子进程，因为进程具有独立性，所以子进程也要有自己的内核数据结构，但是不需要拷贝文件的数据结构，fork只创建进程，不需要再打开文件，它只要拷贝文件描述符表就可以指向相同的struct_file。

这不就是让不同的进程看到了同一份资源吗。

第三步：双方进程关闭不需要的文件描述符，父进程写入就关闭读端，子进程读取就关闭写端。

其实我们原来就已经用过管道了，在进程阶段使用的ps axj | grep mytest。

【注意】：管道虽然用的是文件，但操作系统不会把进程进行通信的数据刷新到磁盘当中，因为这样做有IO参与会降低效率。有些文件只会在内存当中存在，而不会在磁盘当中存在。

匿名管道

匿名管道用于进程间通信，且仅限于本地父子进程之间的通信。

pipe函数

int pipe(int pipefd[2]);

功能：创建一个无名管道。

参数：这又是一个输出型参数，fd[0]表示读端，fd[1]表示写端。

返回值：成功返回0，失败返回-1，并且设置错误码。

        pipe函数的参数是一个输出型参数，数组pipefd用于返回两个指向管道读端和写端的文件描述符。

pipefd[0]：管道的读端
pipefd[1]：管道的写端

        一段小代码来演示一下pipe的使用，fork创建子进程，规定父进程写入，子进程读取，所以父进程关闭读取fd也就是pipefd[0]，子进程关闭写入fd也就是pipefd[1]。子进程要打印read读取pipefd[0]的数据，先把数据放到缓冲区中再打印出来；父进程也要有缓冲区，把要写入的数据用snprintf格式化输出到缓冲区中，再write写入pipefd[1]中。

#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <string>#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>using namespace std;int main()
{// 1. 创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n != -1); // 断言release下就没有了(void)n; // 没有断言n就是只被定义而没有被使用，这只是让他被使用// 2. 创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);if (id == 0){// 子进程// 3. 构建单项通道，父进程写入，子进程读取// 3.1 关闭子进程不需要的fdclose(pipefd[1]);char buffer[1024];while (true){ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0){buffer[s] = 0;cout << "child get a message[" << getpid() << "] father: " << buffer << endl;}}}// 父进程// 3. 构建单项通道close(pipefd[0]);string message = "I am father";int count = 0;char send_buffer[1024];while (true){// 3.2 构建变化的字符串snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d", message.c_str(), getpid(), count++); // 格式化输出到send_buffer// 3.3 写入write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));sleep(1);}pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);assert(ret > 0);(void)ret;close(pipefd[1]);return 0;
}

特点：

  • 管道是用来进行具有血缘关系的进程进行进程间通信，常用与父子进程间通信。
  • 上面的代码父进程一秒写一次，子进程没有限制的读，信息还是每秒读一条，曾经向父子进程向显示器中写入，可不会这样，那是因为这种缺乏访问控制，而管道是一个文件，它想让进程间协同，所以提供了访问控制。
  • 管道提供的是面向流式的通信服务，面向字节流。（后面再谈）
  • 管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的，所以管道的生命周期也是随进程的。
  • 管道是单向通信的，它就是半双工的，半双工就是要么我在写，要么我在读，就像两个人对话一样，一个人说一个人听。

这段代码也可以实现下面这些现象，通过sleep就可以实现：

  • 写的快，读的慢，写满就不能再写了。
  • 写的慢，读的快，管道没有数据的时候，读的快的一方就要等待。
  • 写的关闭，读到0个数据，代表读到文件结尾。
  • 读的关闭，写要继续写，操作系统会终止写进程。

简单线程池

        有了上面的这些知识的补充，我们现在就可以实现一个简单的进程池。使用循环的方式创建管道，再创建多个子进程，这次依旧是父进程派发任务（写端），子进程模拟收到任务并执行（读端），这时候这几个进程看到的都是内存级的同一个管道文件，父进程通过写端向管道中写数据，再通过单机版的负载均衡选出一个子进程开始派发指令，子进程拿到指令执行对应的方法。

// Task.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <functional>
#include <vector>
#include <unordered_map>typedef std::function<void()> func;std::vector<func> callbacks; // vector中放函数对象
std::unordered_map<int, std::string> desc; // 用map存放vector下标对应的函数名// 下面四个方法就是模拟处理任务
void readMySQL()
{std::cout << "process[" << getpid() << "] 执行访问数据库任务" << std::endl;
}void execuleUrl()
{std::cout << "process[" << getpid() << "] 执行Url解析任务" << std::endl;
}void cal()
{std::cout << "process[" << getpid() << "] 执行加密任务任务" << std::endl;
}void save()
{std::cout << "process[" << getpid() << "] 执行数据持久化任务" << std::endl;
}void load()
{desc.insert({callbacks.size(), "readMySQL : 执行访问数据库任务"});callbacks.push_back(readMySQL);desc.insert({callbacks.size(), "execuleUrl : 执行Url解析任务"});callbacks.push_back(execuleUrl);desc.insert({callbacks.size(), "cal : 执行加密任务任务"});callbacks.push_back(cal);desc.insert({callbacks.size(), "save : 执行数据持久化任务"});callbacks.push_back(save);
}void showHandler()
{for (const auto& iter : desc){std::cout << iter.first << " : " << iter.second << std::endl;}
}int handlerSize()
{return callbacks.size();
}
// ProcessPool.cpp
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <string>
#include <cassert>
#include <vector>
#include "Task.hpp"#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>using namespace std;#define PROCESS_NUM 5int waitCommand(int waitFd, bool& quit)
{uint32_t command = 0; // 要接受命令ssize_t s = read(waitFd, &command, sizeof(command));assert(s == sizeof(uint32_t));if (s == 0) // 如果没有读到数据就代表写端关闭了，此时子进程就要退出{quit = true;return -1;}return command;
}void sendAndWakeup(pid_t who, int fd, uint32_t command)
{write(fd, &command, sizeof (command));cout << "call process, pid: " << who << " execute: " << desc[command] << " through fd: " << fd << endl;
}int main()
{load(); // 加载要执行的任务vector<pair<pid_t, int>> slots; // pid : pipefd 创建子进程pid和读端的键值对数组// 创建多个进程for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++){// 创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);(void)n;pid_t id = fork();assert(id != -1);// 子进程读取if (id == 0){// child// 关闭写端close(pipefd[1]);while (true){// pipefd[0]// 等命令bool quit = false;int command = waitCommand(pipefd[0], quit); // 如果写端不发消息就阻塞if (quit) break; // quit改为true表示要退出// 执行命令if (command >= 0 && command < handlerSize()){callbacks[command](); // 拿到什么指令就执行对应的方法}else{cout << "非法command" << endl;}}exit(1);}// father// 关闭读端close(pipefd[0]);slots.push_back(pair<pid_t, int>(id, pipefd[1]));}// 父进程派发任务// 生成随机数srand((unsigned int)time(nullptr) ^ getpid() ^ 0x12345); // 让随机数更随机while (true){// 随机发送一个指令int command = rand()%handlerSize();// 选择进程int choice = rand()%slots.size();// 布置任务sendAndWakeup(slots[choice].first, slots[choice].second, command);sleep(1);}// 关闭fd，结束所有进程for (const auto slot : slots){close(slot.second);}// 回收所有的子进程信息for (const auto slot : slots){waitpid(slot.first, nullptr, 0);}return 0;
}

        从这里我们可以看到父进程指派了不同的进程来执行不同的任务，而且操作系统中也有父进程创建的多个子进程。

        我们可以再来说一下关于close接口的细节，当我们close一个文件描述符的时候，我们真的关闭了吗？其实在struct_file中也有着引用计数的成员变量，不同的指针指向相同的文件描述符会使引用计数增加，close的时候你告诉操作系统你不用了，引用计数就--，减到零的时候才会被释放。

管道读写的规则

  • 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。
  • 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE，进而可能导致write进程退出（后面再说）。
  • 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
  • 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

命名管道

        进程间通信就是让不同的进程看到同一份资源，那么通过父子关系的进程可以实现，那我要是想让两个不相干的进程实现进程间通信呢？那么就要用到命名管道。

        因为文件在系统中路径具有唯一性，所以两个进程就可以通过管道文件的路径看到同一份资源。

        所以命名管道和匿名管道除了创建和打开的方式不同，其他的都一样。

创建一个管道文件

命名管道可以再命令行上创建。

mkfifo 文件名

这里的p就代表管道文件。

        这个意思就是将“hello world”输出重定向到管道文件中，此时这个脚本已经运行起来了，现在只往管道文件中写了，但是没有人读，那么就会阻塞在这里。

在另一个窗口使用cat就可以拿到数据了。

在代码中创建管道

命名管道也可以在代码中创建。

  • 参数：pathname就是要创建的管道文件，有两种做法，一是给出路径，二是直接写文件名默认创建到当前路径下；第二个参数就是文件的权限。
  • 返回值：创建成功返回0，创建失败返回-1。

在代码中删除管道

参数：pathname就是路径

返回值：成功返回0，失败返回-1

命名管道实现serve与client通信

        下面就创建两个不相干的进程，实现服务端(server.cpp)和客户端(client.cpp)之间的进程通信。

        我们需要先让服务端运行起来，让服务端运行后创建一个命名管道文件，然后再以读的方式打开该命名管道文件，之后服务端就可以从该命名管道当中读取客户端发来的信息。

        然后再让客户端运行起来，以写的方式打开管道文件，向文件中写入数据。

// Log.hpp 一个小的日志文件
#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H#include <iostream>
#include <ctime>
#include <string>#define Debug  0 
#define Notice 1
#define Waring 2
#define Error  3const std::string msg[]={"Debug","Notice","Waring","Error"
};std::ostream& Log(std::string message, int level)
{std::cout << "| " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << msg[level] << " | " << message;return std::cout;
}#endif
// comm.hpp
#ifndef _COMM_H_
#define _COMM_H_#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include "Log.hpp"#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>using namespace std;#define MODE 0666
#define SIZE 128string ipcPath = "./fifo.ipc";#endif
// server.cpp
#include "comm.hpp"int main()
{// 1.创建管道文件if (mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0){perror("mkfifo");exit(1);}Log("创建管道文件成功", Debug) << "step 1" << endl;// 2.文件操作int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");exit(2);}Log("打开管道文件成功", Debug) << "step 2" << endl;// 3.编写通信代码char buffer[SIZE];while (true){memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0){cout << "client: " << buffer << endl;}else if (s == 0){// end of filecerr << "read end of file, client quit, server quit too." << endl;}else{// read errorperror("read");break;}}// 4.关闭文件close(fd);Log("关闭管道文件成功", Debug) << "step 3" << endl;unlink(ipcPath.c_str());Log("删除管道文件成功", Debug) << "step 4" << endl;return 0;
}
// client.cpp
#include "comm.hpp"int main()
{// 1.获取管道文件int fd = open(ipcPath.c_str(), O_WRONLY);if (fd < 0){perror("open");exit(1);}// 2.ipc过程string buffer;while (true){cout << "Please Enter Message Line: ";std::getline(cin, buffer);write(fd, buffer.c_str(), buffer.size());}// 3.关闭描述符close(fd);return 0;
}

只需要修改一下代码，创建管道文件之后，再创建子进程，也可以实现多进程通信。

#include "comm.hpp"
#include <sys/wait.h>static void getMessage(int fd)
{// 3.编写通信代码char buffer[SIZE];while (true){memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0){cout << "[" << getpid() << "]" << "client: " << buffer << endl;}else if (s == 0){// end of filecerr << "[" << getpid() << "]" << "read end of file, client quit, server quit too." << endl;break;}else{// read errorperror("read");break;}}
}int main()
{// 1.创建管道文件if (mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0){perror("mkfifo");exit(1);}Log("创建管道文件成功", Debug) << "step 1" << endl;// 2.文件操作int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");exit(2);}Log("打开管道文件成功", Debug) << "step 1" << endl;// 创建子进程来读取信息int nums = 3;for (int i = 0; i < nums; i++){pid_t id = fork();if (id == 0){// 在函数中获得信息getMessage(fd);exit(1);}}// 进程等待for (int i = 0; i < nums; i++){waitpid(-1, nullptr, 0);}// 4.关闭文件close(fd);Log("关闭管道文件成功", Debug) << "step 1" << endl;unlink(ipcPath.c_str());Log("删除管道文件成功", Debug) << "step 1" << endl;return 0;
}

system V共享内存

共享内存的原理

        共享内存也要让不同进程看到同一份资源，第一步就要在物理内存当中申请一块内存空间，第二步将这块内存空间与各个进程地址空间通过页表建立映射，第三步返回这块空间的虚拟地址，这样多个进程就看到了同块物理内存，这块物理内存就叫做共享内存。

        申请内存的时候，使用的是系统接口，释放的时候把地址空间和内存的映射去掉就可以了。

        这个共享内存不属于任何一个进程，它属于操作系统，共享内存是操作系统提供的，它是操作系统专门提供的一个内存模块用来进程间通信，前两种用文件的形式创建管道那是文件的特性，所以操作系统一定会提供相应的接口使用共享内存。

        假如操作系统中有很多的共享内存，操作系统也要管理起来，怎么管理就是先描述再组织，所以共享内存 = 共享内存块 + 对应的内核数据结构。

共享内存的创建

参数：

  • key表示通过它创建的共享内存具有唯一标识，是几不重要，只要key相同看到的就是同一块共享内存
  • size表示创建共享内存的大小。共享内存的大小最好是页(PAGE：4096)的整数倍，如果申请4097，那么会直接申请4096*2 没用的4095就会浪费。
  • shmflg表示创建共享内存的方式
    • IPC_CREAT：这个选项单独使用，如果底层已经存在共享内存就获取它并返回；如果不存在就创建并返回。
    • IPC_EXCL：它单独使用没有意义，和IPC_CREAT一起使用时，如果底层不存在就创建并返回；如果存在就出错并返回。
    • 所以两个选项一起使用返回的一定是一个全新的shm；单独使用IPC_CREAT是想让他获取shm的。

返回值：

  • 成功返回一个合法的共享内存标识符（用户层标识符，类似文件描述符）。
  • 失败就返回-1，错误码被设置。

        参数key标识唯一性，那么就让两个进程使用同样的算法规则就可以形成相同的key值，这个工作也不需要我们自己做，我们可以交给ftok。

        这个函数不会进行任何的系统调用，它内部就是一套算法，这套算法就是把pathname和proj_id合成一个唯一值，这里pathname是通过这个路径拿到文件的inode编号，用这个编号和proj_id进行数学运算形成一个唯一值key，通过key创建共享内存，两个进程通过同一个key看到的一定是相同的共享内存。

返回值：成功返回key值，失败返回-1。

        当我们创建好共享内存的时候可以使用ipcs指令 -m选项查看共享内存。

int main()
{// 1.创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1);Log("create key success", Debug) << " server key : " << k << endl;// 2.创建共享内存 -- 建议创建一个新的共享内存 -- 通信的发起者int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL);if (shmid == -1){perror("shmget");exit(1);}Log("create shm success", Debug) << " shm : " << shmid << endl;return 0;
}

当我再次运行这个程序却报错了，说文件已经存在。

        

共享内存的释放

        这就意味着我们的程序都结束了，共享内存还在，所以system V IPC资源的生命周期是随内核的。

        想要删除有两种方法，第一种就是使用ipcrm -m shmid号，但是手动又不合适，所以还是使用第二种，代码删除。

参数：

  • shmid就是共享内存标识符，cmd就是选项，想要删除就使用IPC_RMID，最后的buf就是这块共享内存的数据结构，删除设置为nullptr就可以。

返回值：

  • 成功返回0，失败返回-1。
// 删除共享内存
int n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);
assert(n != -1);
(void)n;
Log("delete shm success", Debug) << " shm : " << shmid << endl;

        还要注意的是：在这个表中有一列是perms，这个的意思就是权限，如果没有权限，那么就无法访问，也就没有意义。

int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

共享内存的挂接

        还有一个就是nattch，这个意思就是n个进程和这块共享内存挂接，那么我们就要将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间。

参数：

  • shmid表示共享内存标识符。
  • shmaddr指定共享内存映射到进程地址空间的某一地址，通常设置为NULL，表示让内核自己决定一个合适的位置。
  • shmflg表示挂接共享内存时设置的某些属性，例如SHM_RDONLY表示只读或者0表示读取。

返回值：

  • 成功返回共享内存映射到进程地址空间的起始地址。
  • 失败返回（void*）-1。

使用起来挺像malloc。

共享内存去关联

只需要把创建时返回的地址填入即可。

成功返回0，失败返回-1。

示例

int main()
{// 1.创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1);Log("create key success", Debug) << " server key : " << k << endl;sleep(1);// 2.创建共享内存 -- 建议创建一个新的共享内存 -- 通信的发起者int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (shmid == -1){perror("shmget");exit(1);}Log("create shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;sleep(1);// 3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);assert(shmaddr != (void*)-1);Log("shm attach success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;sleep(1);// 这里就可以通信了// 4.将指定的共享内存，从自己的地址空间去关联int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);(void)n;Log("shm detach success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;sleep(1);// 删除共享内存n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);assert(n != -1);(void)n;Log("delete shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;sleep(1);return 0;
}

共享内存实现serve与client通信

        不管是pipe实现匿名管道还是mkfifo实现命名管道，他们最终都是对文件进行访问，也就是使用open、close、read、write这些系统调用，因为还是要对文件操作，文件是在内核当中的一种数据结构，所以是操作系统自己维护的。

        原来说的进程地址空间，用户空间是0~3G，3~4G是内核空间，内核空间我们无权访问，必须通过系统调用接口，那这里的共享内存是在堆栈之间的共享区，这都属于用户空间，所以不需要使用系统调用接口就可以访问共享内存。

// comm.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include "Log.hpp"
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <cstring>#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>using namespace std;#define PATH_NAME "."
#define PROJ_ID 0x666
#define SHM_SIZE 4096
// 共享内存的大小最好是页(PAGE：4096)的整数倍，如果申请4097，那么会直接申请4096*2
// 没用的4095就会浪费
// shmServer.cc
#include "comm.hpp"int main()
{// 1.创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1);Log("create key success", Debug) << " server key : " << k << endl;// 2.创建共享内存 -- 建议创建一个新的共享内存 -- 通信的发起者int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (shmid == -1){perror("shmget");exit(1);}Log("create shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);assert(shmaddr != (void*)-1);Log("shm attach success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 这里就可以通信了// 简单来说共享内存就是字符串，有地址，有大小，就像malloc出来的一样while (true){// 读取printf("client: %s\n", shmaddr);if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0) break;sleep(1);}// 4.将指定的共享内存，从自己的地址空间去关联int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);(void)n;Log("shm detach success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 删除共享内存n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);assert(n != -1);(void)n;Log("delete shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;return 0;
}
// shmClient.cc
#include "comm.hpp"int main()
{// 1.创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);if (k < 0){Log("create key failed", Error) << "client key : " << k << endl;exit(1);}Log("create key success", Debug) << "client key : " << k << endl;// 2.获取共享内存int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT);if (shmid < 0){Log("create shm failed", Error) << "shmid : " << shmid << endl;exit(2);}Log("create shm success", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;// 3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);if (shmaddr == nullptr){Log("attach shm failed", Error) << "shmid : " << shmid << endl;}Log("attach shm success", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;// 使用// client将共享内存看做一个字符串for (int i = 0; i < 5; i++){snprintf(shmaddr, SHM_SIZE - 1, "hello I am client, my pid: %d, i = %d\n", getpid(), i);sleep(1);}strcpy(shmaddr, "quit");// 4.将指定的共享内存，从自己的地址空间去关联int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);Log("detach shm success", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;// client不用删除共享内存，会由server删除return 0;
}

共享内存的特点

拷贝次数少：

        只要一方向共享内存中写入，另一方立马能看到，而且共享内存是所有进程间通信最快的，因为它不需要过多的拷贝。

管道就类似于这样，而共享内存大拷贝次数会比较少

缺乏访问控制：

        当我们运行上面这些代码的时候会发现，Server一直在读取，不管Client有没有向共享内存中写入，这叫做缺乏访问控制，这时候就有可能出现写端还没有写完，读端已经读了一部分了。

        但是管道使用的是系统接口，他是有访问限制的，所以我们可以写一个类来帮我们自动创建和销毁管道文件，当Server端要读取共享内存的数据时，它要等待管道文件的写端写入，当Client端写入数据到共享内存时，这才会往管道文件中写入，从而唤醒管道文件的读端，这样Server再读取共享内存中的数据。

// comm.hpp
#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include "Log.hpp"
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <cstring>#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <fcntl.h>using namespace std;#define PATH_NAME "."
#define PROJ_ID 0x666
#define SHM_SIZE 4096
// 共享内存的大小最好是页(PAGE：4096)的整数倍，如果申请4097，那么会直接申请4096*2
// 没用的4095就会浪费#define FIFO_NAME "./fifo"class Init // 帮助我们开始就创建管道文件
{
public:Init(){umask(0);int n = mkfifo(FIFO_NAME, 0666);assert(n != -1);(void)n;Log("create fifo success", Notice) << endl;}~Init(){unlink(FIFO_NAME);Log("remove fifo success", Notice) << endl;}
};#define READ O_RDONLY
#define WRITE O_WRONLYint OpenFIFO(std::string pathname, int flags)
{int fd = open(pathname.c_str(), flags);assert(fd >= 0);return fd;
}void Wait(int fd)
{Log("wait write...", Notice) << endl;uint32_t temp = 0;ssize_t s = read(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;
}void Signal(int fd)
{Log("signal read...", Notice) << endl;uint32_t temp = 1;ssize_t s = write(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;
}void CloseFIFO(int fd)
{close(fd);
}
//shmServer.cpp
#include "comm.hpp"// 程序加载的时候自动构建全局变量，会调用类的构造函数来创建管道
Init init;
// 程序退出的时候，全局变量会自动调用析构函数，会删除管道文件int main()
{// 1.创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1);Log("create key success", Debug) << " server key : " << k << endl;// 2.创建共享内存 -- 建议创建一个新的共享内存 -- 通信的发起者int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (shmid == -1){perror("shmget");exit(1);}Log("create shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);assert(shmaddr != (void*)-1);Log("shm attach success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 这里就可以通信了// 简单来说共享内存就是字符串，有地址，有大小，就像malloc出来的一样// 访问控制，通过创建管道文件实现访问控制int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, READ);while (true){Wait(fd);printf("client: %s\n", shmaddr);if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0) break;}// 4.将指定的共享内存，从自己的地址空间去关联int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);(void)n;Log("shm detach success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 删除共享内存n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);assert(n != -1);(void)n;Log("delete shm success", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;CloseFIFO(fd);return 0;
}
//shmClient.cpp
#include "comm.hpp"int main()
{// 1.创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);if (k < 0){Log("create key failed", Error) << "client key : " << k << endl;exit(1);}Log("create key success", Debug) << "client key : " << k << endl;// 2.获取共享内存int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT);if (shmid < 0){Log("create shm failed", Error) << "shmid : " << shmid << endl;exit(2);}Log("create shm success", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;// 3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);if (shmaddr == nullptr){Log("attach shm failed", Error) << "shmid : " << shmid << endl;}Log("attach shm success", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;// 使用// client将共享内存看做一个字符串// 通过管道文件实现访问控制int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, WRITE);while (true){ssize_t s = read(0, shmaddr, SHM_SIZE - 1);if (s > 0){shmaddr[s-1] = 0; // 去掉\nSignal(fd);if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0) break;}}CloseFIFO(fd);// 4.将指定的共享内存，从自己的地址空间去关联int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);Log("detach shm success", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;// client不用删除共享内存，会由server删除return 0;
}

共享内存带来的问题

        让不同的进程看到同一块资源这就是进程间通信的前提，但是这也带来了一些时序性的问题，就像上面说的数据还没有写完就被读走了，这就会出问题。

        再来说一些概念：

  • 一般把多个执行流看到的公共的资源叫做临界资源。
  • 每个进程访问临界资源的代码叫做临界区。
  • 为了保护临界区，多执行流在任何时刻都只能有一个进程进入临界区，这就叫做互斥。

        在非临界区时，多个执行流不受影响，如果不加保护的访问了临界资源就会出问题。

  • 原子性：对于一件事要么做要么不做，没有中间状态就成为原子性。

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