Linux 进程间通信之共享内存

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前言

共享内存直接原理 

共享内存数据结构 

 共享内存函数接口

 shmget

函数原型

参数说明：

返回值：

系统限制：

额外说明：

ftok

shmat

shmdt

函数原型

参数说明

返回值

附加说明

错误代码

shmctl

 代码实现

获得key 

创建共享内存 

 挂接

 取消挂接

 删除共享内存

 共享内存命令行操作

前言

前面讲的匿名和命名都是基于文件看到同一份资源，那有没有不通过文件可以看到同一份资源？有的系统 V

共享内存直接原理 

  • 每个进程都有属于自己的进程地址空间。
  • 操作系统在物理内存中开辟一段空间，一个进程创建一段虚拟内存，并将这段虚拟内存的起始与结束地址通过页表映射到物理内存的空间。
  • 如果另一个进程也通过页表映射到同一段物理内存，那么就可以实现了让多个进程看到同一段空间，当一个进程向这段物理空间写入数据，另一个进程就可以马上从这段空间读取数据，实现进程间的通信。

共享内存需不需要被管理？当然需要啊，又不是只有这一个共享内存，其他进程万一也需要通信。共享内存多了当然需要管理。那怎么管理？老规矩先描述再组织！！！

共享内存数据结构 

struct shmid_ds {
        struct ipc_perm shm_perm;         /* operation perms */
        int shm_segsz;         /* size of segment (bytes) */
        __kernel_time_t shm_atime;         /* last attach time */
        __kernel_time_t shm_dtime;         /* last detach time */
        __kernel_time_t shm_ctime;         /* last change time */
        __kernel_ipc_pid_t shm_cpid;         /* pid of creator */
        __kernel_ipc_pid_t shm_lpid;         /* pid of last operator */
        unsigned short shm_nattch;         /* no. of current attaches */
        unsigned short shm_unused;         /* compatibility */
        void *shm_unused2;         /* ditto - used by DIPC */
        void *shm_unused3;         /* unused */
};

描述出来以后，对共享内存的管理，变成了对shmid_ds增删查改！！！ 

 共享内存函数接口

 shmget

shmget 函数是 Linux 系统中用于创建或获取共享内存段标识符的函数。以下是 shmget 函数的详细解析：

函数原型

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数说明：

  1. key：一个标识符，用于唯一确定系统中的共享内存段。它可以是：

    • IPC_PRIVATE：一个特殊的键值，用于创建新的共享内存段。
    • 由 ftok 函数生成的键值，通常基于文件名和项目 ID。

  2. size：要创建的共享内存段的大小，以字节为单位。实际创建的共享内存大小将是 size 向上取最近的 PAGE_SIZE（页面大小）的倍数。

  3. shmflg：共享内存的访问权限和控制标志，可以是以下选项的组合：

    • IPC_CREAT：如果共享内存不存在，则创建它。
    • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，如果共享内存已存在，则 shmget 调用失败。
    • SHM_R 或 SHM_RDONLY：共享内存段为只读。
    • SHM_W：共享内存段为可写。

返回值：

  • 成功：返回共享内存段的标识符（shmid）。
  • 失败：返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

错误代码：

  • EINVAL：size 小于 SHMMIN 或大于 SHMMAX。
  • EEXIST：shmflg 包含 IPC_CREAT | IPC_EXCL，但已存在与 key 相匹配的共享内存。
  • EIDRM：尝试获取的共享内存已经被删除。
  • ENOENT：key 不存在，且 shmflg 没有设置 IPC_CREAT。
  • EACCES：没有足够的权限访问指定的共享内存。

系统限制：

  • SHMALL：系统范围内共享内存段的总数限制。
  • SHMMAX：单个共享内存段的最大大小限制。
  • SHMMNI：系统范围内共享内存段标识符的最大数量限制。

额外说明：

  • 使用 shmget 创建共享内存时，通常会结合 shmctl、shmat 和 shmdt 函数来完成共享内存的控制、映射、使用和脱离。
  • IPC_PRIVATE 作为 key 时，会忽略 shmflg 的低9位，并创建一个新的共享内存段。

ftok

ftok 是一个UNIX系统调用，用于创建一个唯一的键值，这个键值可以用于ftok函数创建的两个进程之间的通信。它通常用于初始化或识别一个共享内存段或信号量。

函数原型如下：

key_t ftok(const char *pathname, char proj_id);

参数说明：

  • pathname：一个字符串，指定了一个文件的路径。这个文件的存在并不是必需的，但是它必须存在于文件系统中。
  • proj_id：一个字符，用于进一步区分同一个文件下生成的不同键值。

返回值：

  • 成功时返回一个key_t类型的键值，这个键值可以用于IPC（进程间通信）。
  • 失败时返回-1，并设置errno以指示错误类型。

ftok函数通过文件名和项目标识符生成一个键值，这个键值可以用来创建或访问共享内存段或信号量。ftok函数的实现通常依赖于文件的设备号和文件名的i节点号，以及项目标识符，来生成一个唯一的键值。

请注意，ftok函数是POSIX标准的，主要用于UNIX和类UNIX系统。在Windows系统中，该函数不可用。

shmat

shmat 是一个用于进程间通信（IPC）的系统调用函数，它是System V共享内存接口的一部分。shmat 函数用于将一个已经创建的共享内存段附加（attach）到调用进程的地址空间中。一旦附加，进程就可以像访问普通内存一样访问共享内存。

函数原型如下：

void *shmat(int shm_id, const void *shmaddr, int shmflg);

参数说明：

  1. shm_id：共享内存段的标识符，通常由 shmget 函数创建并返回。
  2. shmaddr：（可选）一个指针，指定了共享内存段在调用进程地址空间中附加的位置。如果设置为NULL，系统会找到一个合适的地址来附加共享内存。
  3. shmflg：控制共享内存附加行为的标志。常见的标志有：
    • SHM_RDONLY：以只读方式附加共享内存。
    • 0：以读写方式附加共享内存。

返回值：

  • 成功时返回一个指向共享内存段的指针，进程可以使用这个指针来访问共享内存。
  • 失败时返回-1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

使用 shmat 时，需要确保已经包含了相应的头文件，如 <sys/ipc.h> 和 <sys/shm.h>。

shmdt

shmdt 函数是用于断开与共享内存段的连接的Linux系统调用。当一个进程通过shmat函数将共享内存段映射到自己的地址空间后，如果不再需要访问该共享内存段，就可以使用shmdt函数来断开这种映射关系。以下是shmdt函数的一些关键信息：

函数原型

int shmdt(const void *shmaddr);

参数说明

  • shmaddr：共享内存段连接到当前进程地址空间的起始地址。

返回值

  • 成功：返回0。
  • 出错：返回-1，并且errno会被设置为相应的错误代码。

附加说明

  • 本函数调用并不删除所指定的共享内存段，而只是将先前用shmat函数连接（attach）好的共享内存脱离（detach）当前进程。
  • 如果shmaddr参数无效，将返回错误。

错误代码

  • EINVAL：无效的参数shmaddr。

 

shmctl

shmctl 是一个用于进程间通信（IPC）的系统调用函数，它是System V共享内存接口的一部分。shmctl 函数用于控制共享内存段的各种操作，如获取共享内存段的信息、设置共享内存段的属性或删除共享内存段。

函数原型如下：

int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数说明：

  1. shm_id：共享内存段的标识符，通常由 shmget 函数创建并返回。
  2. cmd：一个命令，指定了要执行的操作。常见的命令有：
    • IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，并将信息存储在 buf 指向的结构体中。
    • IPC_SET：设置共享内存段的属性，buf 指向的结构体包含了新的属性值。
    • IPC_RMID：删除共享内存段，释放相关资源。
  3. buf：一个指向 shmid_ds 结构体的指针，该结构体用于存储共享内存段的信息或新的属性设置。

返回值：

  • 成功时返回0。
  • 失败时返回-1，并设置全局变量 errno 以指示错误类型。

shmid_ds 结构体通常包含以下成员：

  • shm_perm：共享内存段的权限。
  • shm_segsz：共享内存段的大小。
  • shm_atime：最后访问时间。
  • shm_dtime：最后删除时间。
  • shm_ctime：最后修改时间。
  • shm_cprid：最后执行读操作的进程的进程ID。
  • shm_lprid：最后执行写操作的进程的进程ID。

使用 shmctl 时，需要确保已经包含了相应的头文件，如 <sys/ipc.h> 和 <sys/shm.h>。

 代码实现

我们要创建共享内存，首先要有key而key是调用ftok来获得，我们先创建一个comm.hpp

创建共享内存的需要的用到的系统调，我们直接用这个头文件进行封装，然后prosessa 和 prosessb直接进行调用

获得key 

 

#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>using namespace std;
const string pathname = "/home/gx/linux-exercise";
const int proj_id = 0x666; // 这个你可以自己随便定一个。key_t get_key()
{key_t key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);if (key == -1){cerr << "ftok error" << endl;exit(1);}return key;}

创建共享内存 

 

int create_shm(int flag)
{key_t key = get_key();int n = shmget(key, SHM_SIZE, flag);if(n < 0){cerr << "shmget error" << endl;exit(1);        } return n;                    
}

这里我用a进程进行创建共享内存，b获得共享内存，这样的话对create_shm函数进行封装，a调用createShm这个函数。

int createShm()
{return create_shm(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}

b就调用getShm这个函数。 

int getShm()
{return create_shm(IPC_CREAT);
}

关于shmget的shmflg这个参数，前面文档已经有详细的说明。这里不在细说。

共享内存创建好了，就意味着我们能通信了吗？并没有，因为shmget是系统调用，是OS划分出来的一块区域。 是真实的物理内存，而进程用的是虚拟地址，我们需要用shmat进行挂接。通过挂接，挂接到进程地址空间。        

 挂接

 char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);

 取消挂接

 shmdt(shmaddr);

 删除共享内存

 shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);

 

完整代码  

头文件

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>using namespace std;
const int SHM_SIZE = 4096; // 共享内存的大小 也就是4KB，我们申请的大小一般是4096的整数倍
const string pathname = "/home/gx/linux-exercise";
const int proj_id = 0x666; // 这个你可以自己随便定一个，只要保证唯一就行key_t get_key()
{key_t key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);if (key == -1){cerr << "ftok error" << endl;exit(1);}return key;
}int create_shm(int flag)
{key_t key = get_key();int n = shmget(key, SHM_SIZE, flag);if (n < 0){cerr << "shmget error" << endl;exit(1);}return n;
}int createShm()
{return create_shm(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}
int getShm()
{return create_shm(IPC_CREAT);
}

进程a 

 

int main()
{int shmid = createShm();char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);while (true){cout << "Enter a message: " ;fgets(shmaddr, 4096, stdin);}shmdt(shmaddr);shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);return 0;
}

 进程b

 

int main()
{int shmid = getShm();char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);while(true){cout << "client say@:" << shmaddr << endl;sleep(1);}shmdt(shmaddr);return 0;   
}

代码运行起来，我们可以发现共享内存是不会同步的，一方不写，一方也不会阻塞。

有没有什么方法可以让它们同步互斥？用管道。 

 共享内存命令行操作

查看共享内存

指令：ipcs -m 

 

删除共享内存

指令：ipcrm -m shmid 

 

 最后说说 key 和shmid的区别 key是操作系统创建出来的，确定这个共享内存的唯一性。

而shmid是给用户用的。

 

 

 

 

 

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