【Linux】进程间通信 -- System V共享内存

前言

本篇博客介绍第二种进程间通信的方式 – System V
System V 有三种方式：
共享内存
消息队列
信号量
本篇博客对于系统调用的函数，会进行一定的封装

一. System V 共享内存

二. 共享内存的原理

进程间具有独立性，不同进程之间无法直接获取对方的数据，所有通信都需要有第三方的介入，管道是以文件的方式，提供共享的文件。
匿名管道建立在子进程继承父进程的进程信息的特性，可以获得父进程创建的匿名管道的文件描述符，仅适用于具有“亲戚关系”的进程；
命名管道本质同匿名管道一样，只不过是在当前目录下创建一个管道文件，不同进程可以以不同方式打开这个管道文件，进行读写，适用于任何不同进程
两个管道都是内存级文件，不会进行刷盘

那么System V 共享内存是以什么方式使得不同进程进行通信的呢？

进程间通信的前提都是：让不同进程看到同一份“资源”
管道通过文件，而System V通过内存实现

System V创建的共享内存通过页表映射放到不同进程的共享区

三. 共享内存的创建

创建共享内存的函数是shmget() shared memory get

1. 第一个参数稍后详细讲解
2. 第二个参数是创建的共享内存的大小
3. 第三个参数是一个位图，可传的参数有三种情况：
   (1) IPC_CREAT：没有共享内存就创建，有，就返回这个共享内存的shmid
   (2) IPC_CREAT | IPC_EXCL ：没有共享内存就创建，有，就直接报错，返回-1并设置错误码。其作用是确保创建的共享内存是最新的
   (3) 以上两种 | 权限
   注意：IPC_EXCL不能单独使用，没有效果

返回值是创建的共享内存的共享内存的标识符（和文件描述符不同）

下面我们详细讲解一下第一个参数

我们创建的共享内存，需要不同进程双方都能找到，并且创建新的共享内存时不和其他共享内存冲突，所有需要由系统生成一个key值，尽量的避免冲突，保证不同进程的通信

生成key值的函数是：ftok()

内存中可能同时有多个共享内存，操作系统也会对其有相应的结构体，对他们进行管理。这也是先描述，再组织思想的体现。
所以我们就需要确保不同进程能找到同一个共享内存

第一个参数：路径字符串；第二个参数：项目ID
ftok的这两参数，在创建后会保存在共享内存结构体的属性中，这样操作系统才能帮我们找到我们要使用的共享内存。
而需要进行通信的进程，需要确保这两个参数传的一样，才能找到同一个共享内存。
具体内容是什么其实不重要（pathname需要是能找到的文件路径），只要确保要通信的进程传的一样就好

获取key值的函数

#define PATHNAME "." 
#define PROJID 0x6666

//获取key值
key_t getKey()
{
    key_t k=ftok(PATHNAME,PROJID);
    if(k==-1)
    {
        cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(1);
    }
    return k;
}

//将key值转换成十六进制
string toHex(key_t k)
{
    char buffer[64];
    snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%x",k);
    return buffer;
}

简单测试一下

这样我们就得到了相同的key值。
接下来就是创建内存空间了。

因为创建共享内存和获取共享内存只有最后一个参数有所不同，所以我们可以进行一定的封装

//进行封装
static int createShmHelper(key_t key,int size,int flag)
{
    int shmid = shmget(key,size,flag);

    //出错判断
    if(shmid==-1)
    {
        cerr<<"error: "<<errno<<" : "<<strerror(errno)<<endl;
        exit(2);
    }
    return shmid;
}

//创建共享内存
int createShm(key_t key,int size)
{
    //因为是创建，我们就用，保证创建最新的内存空间
    return createShmHelper(key,size,IPC_CREAT | IPC_EXCL);
}

//获取共享内存
int getShm(key_t key,int size)
{
    //只要获取就好，所以只要IPC_CREAT
    return createShmHelper(key,size,IPC_CREAT);
}

简单测试一下

四. 共享内存的查看和删除（指令）

我们成功创建了共享内存，那么接下来有个疑问：我们这两个程序很简单，没有任务循环，运行一下就结束了，那相应创建的共享内存还存在吗？
我们如果再运行shmServer会发现以下现象

因为在shmServer.cpp中，我们调用shmget()使用的是IPC_CREAT | IPC_EXCL，所以当共享内存已经存在时，会创建失败，返回-1，设置错误码。

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共享内存的查看

我们还可以使用ipcs指令查看进程间通信的相关信息

第一个是消息队列，第二个共享内存，第三个是信号量数组
ipcs -m指令表示只查看共享内存

key：共享内存对应的key值，类比文件inode编号，内核使用
shmid：共享内存的id，类比文件描述符fd，用户使用
owner：创建该共享内存的用户
perms：该共享内存的权限（同文件）
bytes：大小（以字节为单位）
nattch：关联（链接）该共享内存的进程数
status：

以上两种现象，都表明，即使创建共享内存的进程已经退出，相应的共享内存其实还存在。

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共享内存的删除
我们可以通过ipcrm -m shmid删除我们创建的共享内存

我们再创建共享内存就会分配新的shmid给我们创建的共享内存了

五. 共享内存的修改/删除

函数是：shmctl()

第一个参数是shmid；第二个是对共享内存的操作，操作有多种，删除，修改个别属性...；第三个参数是输出型参数，是内核中管理共享内存的结构体，可以通过传结构体获取该共享内存的属性

这是结构体的部分属性

共享内存的删除
修改操作的宏是IPC_RMID

//删除共享内存
void delShm(int shmid)
{

    int n=shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    assert(n!=-1);
    (void)n;
}

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获取共享内存属性

//查看共享内存属性
struct shmid_ds ds;
int n=shmctl(shmid,IPC_STAT,&ds);
if(n!=-1)
{
    cout<<"perm: "<<toHex(ds.shm_perm.__key)<<endl;
    cout<<"create pid: "<<ds.shm_cpid<<" : "<<getpid()<<endl;
}

注意：查看共享内存需要有权限
调用者必须要有这个共享内存的读权限

六. 共享内存的权限

我们用以上方法创建一个共享内存，perms是权限，默认为0

权限需要在创建时确定，其实只需要在shmget的第三个参数加上对应的权限就好

//创建共享内存
int createShm(key_t key,int size)
{
    //因为是创建，我们就用，保证创建最新的内存空间
    umask(0);//将掩码设置为0，保证预期的权限
    return createShmHelper(key,size,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}

这样就成功设置权限了。

七. 共享内存的关联

以上我们完成了进程间通信的周边工作，但是我们还没有真正实现通信。我们只创建了共享内存，但其实此时共享内存还并没有在我们进程的task struct中，我们只是成功的创建了。为此我们还需要关联这个共享内存，才会将共享内存映射到进程的共享区，才可以真正的使用。

关联的函数是shmat()

第一个参数是shmid；第二个参数是共享区的虚拟地址，可以通过这个参数指定将共享内存挂接到指定位置；第三个参数是挂接方式（读写）
返回值是挂接的共享区的虚拟地址

//关联共享内存
char * attchShm(int shmid)
{
    char*start=(char*)shmat(shmid,NULL,0);
    return start;
}

在(三)中，我们就讲了，nattch是关联该共享内存的进程数，这个测试也验证了这一点。0->1->2->1->0

八. 共享内存的取关联

取关联的函数是shmdt()

头文件和shmat()一样

传参是shmat的返回值

//取关联共享内存
void detachShm(char*start)
{
    int n=shmdt(start);
    assert(n!=-1);
    (void)n;
}

九. 共享内存的通信

接下来，我们就可以使用共享内存进行通信了。
不过我们还可以将上述的代码再进行一个封装，封装成一个类

#define SERVER 1
#define CLIENT 0
const int gsize=4096;

class Init
{
public:
    Init(int t):type(t)
    {
        //获取key值
        key_t k = getKey();
        //创建/获取共享内存
        if(type == SERVER)
        {
            //服务端创建
            shmid = createShm(k, gsize);
        }
        else
        {
            //客户端获取
            shmid = getShm(k, gsize);
        }
        //关联共享内存
        start = attachShm(shmid);
    }

    //获取读写字符串
    char *getStart()
    { 
        return start; 
    }

    ~Init()
    {
        //取关联
        detachShm(start);

        if(type == SERVER)
        {
            //如果是服务端，还需要销毁共享内存
            delShm(shmid);
        }
    }
private:
    char *start;//读写字符串
    int type; //表示是服务端还是客户端
    int shmid;//共享内存的id
};

使用如下：


成功完成通信

结束语

本篇知识记录较杂，请多谅解。本着记笔记分享的目的，望佬指点。

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