【Linux】system V 共享内存

system V

system V 是一套标准，独立于文件系统之外的，专门为了通信设计出来的模块
让两个毫不相关的进程看到同一份资源

1. 共享内存原理

第一阶段原理

进程A和进程B都通过自己的页表映射到物理内存中的特定区域，进而找到该进程匹配的代码和数据
为了让进程A和进程B通信，前提是两者要看到同一份资源
假设在物理内存上开辟一块空间
进程A和进程B在自己的地址空间中都有自己的共享区
想办法把物理内存中新开辟空间 通过页表 映射到 进程A和进程B的共享区中
把地址空间的起始地址返回给用户
进程A和进程B就可以通过起始的虚拟地址，对应页表访问到内存
就完成了让进程A和进程B看到同一份资源，这份资源就被称为共享内存

第二阶段原理

系统中可以用ssh进行通信 ，是不是只能有一对进程使用共享内存呢？
可以，其他进程也可以通信
所以在任何时刻，可能有多个共享内存在被使用
系统中一定会存在很多共享内存同时存在
操作系统要不要整体管理所有的共享内存呢？要
操作性系统如何管理多个共享内存呢？
先描述，在组织
并不是在内存中开辟空间即可，系统为了管理共享内存，构建对应的描述共享内存的结构体对象
共享内存=共享内存的内核数据结构(伪代码:struct shm)+真正开辟的内存空间

2. 直接写代码–编写代码进行原理介绍

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打开vscode，创建文件client.cc和server.cc(后缀为cc说明是c++)的文件
创建公共路径 comm.hpp

shmget函数

创建共享路径接口 ，输入 man shmget 查看

申请一个 系统V的共享内存块
如果创建成功，则会返回共享内存标识符，失败返回-1

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size代表申请内存块的大小
shmflg代表 选项
有两个最常用的选项，IPC_CREAT IPC_EXCL
转到定义就可以发现其实这两个都是宏

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若单独使用 IPC_CREAT ：创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建之，如果已经存在，就获取已经存在的共享内存并返回
IPC_EXCL不能单独使用 ，一般都要配合 IPC_CREAT
若要将两个选项同时传进去 IPC_CREAT | IPC_EXCL
两个选项同时用: 创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建之，如果已经存在，则立马出错返回
如果创建成功，对应的共享内存一定是最新的

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获取共享内存时，需要有一个key值

ftok函数

输入 man ftok

根据路径和项目id进行算法结合，形成一个冲突概率低的key值
失败就返回-1，成功返回key值

key值用法

假设进程A创建了一个共享内存，但是进程B怎么知道那个共享内存是创建的吗？
就需要借助上述提到的 ftok 函数

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刚开始约定好 A和B用同样的路径字符串和项目id
借助A形成一个key值，将key值放入A创建的共享内存描述结构体中
此时B也形成一个相同的key值，通过寻找key值来找到A所创建的共享内存

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pathname 代表 用户自己设定的路径字符串
proj_id 代表 项目id
key值意义为
让创建共享内存的进程可以给新共享内存设置key值
让获取共享内存的进程 通过key值 去找特定匹配的共享内存

1. 创建key值

comm.hpp 公共路径中构建一个函数 Getkey 用于返回key值

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构建一个函数 tohex，用于将数转换为十六进制

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通过server.cc与client.cc中分别调用Getkey 与tohex函数

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两者的返回值key 是相同的，并且返回的都是十六进制数

2. 创建共享内存 获取共享内存

创建共享内存，调用shmget函数，通过两个选项 若共享内存不存在则创建，若存在则报错
而获取共享内存，调用shmget函数，则返回已有的共享内存

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此时运行可执行程序，发现server与client的shmid(共享内存标识符)相同

3. 将自己和共享内存关联起来

输入 man shmat 指令

at代表 关联
将共享内存和目标值关联起来
返回值为 共享内存的虚拟地址的起始地址
我们不知道应该把共享内存放在虚拟空间的什么地址处，所以shmaddr设为NULL让系统自主去选择
shmflg 可以设置为 SHM_RDONLY 表示当前共享内存是只读的 一般设为0，默认为读写的

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4. 将自己和共享内存取消关联

输入 man shmdt 指令

shmdt代表 虚拟地址
成功返回0，失败返回-1

5. 删除共享内存

创建共享内存的进程已经早就退出了，但是共享内存还存在
确认共享内存存在： ipcs
ipc作为进程间通信的简写
ipc表示资源 s表示有多个资源

显出来的为ipc通信系统所支持的三种ipc通信策略
Message Queues 消息队列
Shared Memory Segments 共享内存段
Semaphore Arrays 信号量

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ipcs - m 查看共享内存段

perms 代表权限
bytes 代表字节数
nattch 代表 有几个进程和当前进程是关联的

用指令删除

key是在操作系统中使用的，类似于文件的inode编号
shmid 类似于文件的fd
所以删除操作，是在用户层，应该用shmid

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ipcrm -m shmid值 就可以删除共享内存
此时就没有 shmid为0的共享内存 存在了

调用系统调用

输入 man shmctl 指令

shmid 代表 共享内存描述符 即想对那个共享内存操作
cmd 代表 选项 即想做什么操作
IPC_STAT 获取当前共享内存的属性
IPC_SET 设置共享内存属性
IPC_RMID 标记这个段被释放
buf 代表 共享内存的属性

在comm.hpp下 设置删除共享内存的函数，在server.cc中调用函数 即可删除共享内存

完整代码

makefile

.PHONY:all
all:server client

server:server.cc
	g++ -o $@ $^
client:client.cc
	g++ -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
	rm -f server client 

如何使两个可执行程序运行，在上一篇文章提到过，点击查看:命名管道

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comm.hpp

#ifndef _COMM_HPP_
#define _COMM_HPP_
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace std;

#define PATHNAME "."//.表示当前路径  路径字符串
#define PROJID 0x6666 //项目id
const int gsize=4096;
key_t getkey()//用于返回key值
{
    key_t k=ftok(PATHNAME,PROJID);
    if(k==-1)//失败
    {
       cout<<errno<< " :" <<strerror(errno)<<endl;
       exit(1);
    }
    return k;//返回key值
}
string tohex(int x)//转换为十六进制
{
   char buffer[64];
   //将x以十六进制的形式传给buffer
   snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%x",x);
   return buffer;
}

static int  createshmhelper(key_t k,int size,int flag)//static修饰只在本文件有效
{
     
  int shmid=shmget(k,size,flag);
  if(shmid==-1)//创建失败
  {
    cout<<errno<< " :" <<strerror(errno)<<endl;
       exit(2);
  }
  return  shmid;//返回共享内存标识符
}

int createshm(key_t k,int size)//创建共享内存
{
    //带有两个选项 若不存在则创建，若存在则报错
    return createshmhelper(k,size,IPC_CREAT |IPC_EXCL);
}

int getshm(key_t k,int size)
{
    //若有共享内存，则返回已有的共享内存
     return createshmhelper(k,size,IPC_CREAT );
}

char* attachshm(int shmid)//关联
{
    char*start=(char*)shmat(shmid,NULL,0);//对应类型void* 所以需要强转
     return start;
}

void detachshm(char*start)//取消关联
{
 int n=shmdt(start);
 assert(n!=-1);
 (void)n;
}

void delshm(int shmid)
{
   int n=shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
   assert(n!=-1);//为-1就删除失败
   (void)n;
}


#endif 

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server.cc

#include"comm.hpp"
#include
int main()
{
    //1. 创建key值
  key_t k=getkey();//获取key值
  cout<<"server:"<<tohex(k)<<endl;

   //2.创建共享内存
   int shmid=createshm(k,gsize);//返回的是共享内存标识符
   cout<<"server shmid:"<<shmid<<endl;//将共享内存标识符转换为十六进制
   sleep(5);
  

   // 3.将自己和共享内存关联起来
   char*start=attachshm(shmid);

   //通信
    
   //4. 将自己和共享内存取消关联
    detachshm(start); 
  

   //5.删除共享内存
    delshm(shmid);
    return 0;
}

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client.cc

#include"comm.hpp"

int main()
{
  key_t k=getkey();//获取key值
  cout<<"client key:"<<tohex(k)<<endl;

int shmid=getshm(k,gsize);//获取共享内存
cout<<"client shmid:"<<shmid<<endl;//将共享内存标识符转换为十六进制

  char*start=attachshm(shmid);
   detachshm(start); 
  

  
    return 0;
}