[Linux]进程间通信--共享内存

[Linux]system V共享内存

共享内存是Linux系统下的一种进程间通信手段，其符合system V标准。System V标准下的通信手段接口在使用方法上是相似的，包括信号量、共享内存和消息队列这三种通信机制，

共享内存通信的原理

共享内存是操作系统在内存中申请的一块空间，进程将该内存映射到自身进程地址空间的共享区，然后通过这个映射往共享内存写入或读取数据，完成进程间的通信。

完成通信后，进程要先解除映射关系，然后让操作系统释放共享内存。

系统接口

创建共享内存接口

Linux系统中提供了shmget接口用于创建共享内存：

//shmget所在的头文件和声明
#include 
#include 

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

• 成功返回共享内存的编号shmid，失败返回-1,错误码被设置。

key参数

共享内存是操作系统在内存中申请的一块内存空间，操作系统中可能会有大量的共享内存，操作系统为了管理这些共享内存就要用相应的结构进行描述，然后将描述的结构组织起来，共享内存中存在着一个字段用于唯一标识共享内存，这个字段使用的就是key参数传入的值。在进程使用共享内存通信前，一个进程创建共享内存并将key参数写入，然后另一个想要与其通信的进程就用同样的key参数和操作系统中的共享内存描述结构中的key参数进行比对，找到对应的共享内存，从而进行通信。

为了让使用的key参数唯一，保证进程使用的共享内存不会出错，我们使用ftok系统接口：

//ftok所在的头文件和声明
#include 
#include 

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

• ftok会根据传入的参数使用算法返回一个重复率极低的数字。
• 成功返回0，失败返回-1,错误码被设置。

size参数

size参数用于指明要创建的共享内存的大小，单位为字节。

操作系统创建共享内存是以page页为单位的，大小为4KB。

shmflg参数

shmflg参数用于指明shmget的使用模式。

• 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，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。
• IPC_CREAT | IPC_EXCL: 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shm，一定是最新的！
• 传入umask可以给要创建的共享内存设置权限。

关联共享内存接口

要想使用共享内存必须进行共享内存的关联，将共享内存映射到自己的进程地址空间。Linux系统中提供了shmat接口用于关联共享内存：

//shmat所在的头文件和声明
#include 
#include 

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

• shmid参数 – 用于指明要关联的共享内存编号。
• shmaddr参数 – 指明要关联到的地址处，传入空指针操作系统会自己进行关联。
• shmflg参数 – 指明对要关联的共享内存的权限，传入0为读写权限。
• 成功返回共享内存映射在进程地址空间中的地址，失败返回-1，错误码被设置。

去关联共享内存接口

在使用完共享内存进行通信后，要进行共享内存的去关联操作。Linux系统中提供了shmdt接口用于去关联共享内存：

//shmdt所在的头文件和声明
#include 
#include 

int shmdt(const void *shmaddr);

• shmaddr参数 – 要去关联的共享内存的地址，即调用shmat关联共享内存时返回的地址。
• 成功返回0，失败返回-1，错误码被设置。

删除共享内存接口

Linux系统中提供了shmctl接口用于控制共享内存：

//shmctl所在的头文件和声明
#include 
#include 

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

• shmid参数 – 用于指明要控制的共享内存编号。
• cmd参数 – 用于指定控制选项，其中IPC_RMID选项就是删除共享内存。
• buf参数 – 输出型参数，用于接收描述共享内存的结构体信息。

使用指令操作共享内存

查看共享内存

在Linux系统中使用ipcs -m可以查看系统中的共享内存：

• key：进程调用shmget创建共享内存时传入的key参数。
• shmid：共享内存编号。
• owner：共享内存的拥有者。
• perms：拥有者对共享内存的权限。
• bytes：共享内存的大小。

删除共享内存

在Linux系统中使用ipcrm -m 对应shmid可以删除对应的共享内存：

共享内存的特性

• 无需多余拷贝：使用共享内存通信不需要使用任何接口，只要共享内存被映射到进程的地址空间中，进程就能看到共享内存。
• 速度快 ：共享内存被映射到进程的地址空间中，进程就能看到共享内存，不涉及缓冲区，无需多余拷贝动作，因此共享内存通信速度很快。
• 无保护：使用共享内存通信不需要使用任何接口，因此共享内存不存在任何保护机制。

编码测试共享内存

在编码测试共享内存前，创建三个文件：common.hpp、server.cc、client.cc。

common.hpp用于实现使用共享内存的类和接口，具体内容如下:

#ifndef __COMN_HPP__
#define __COMM_HPP__

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

#define PATHNAME "."
#define PROJID 0x6666

#define gsize 4096

//key_t类型实际也是int类型
key_t GetKey()//获取key值
{
    key_t k = ftok(PATHNAME, PROJID);
    if(k == -1)//错误检测
    {
        cerr << "errno: " << errno << " strerror: " << strerror(errno) << endl;
        exit(1);
    }
    return k;
}

//只在本文件生效
static int createShmHelper(key_t key, size_t size, int shmflg)
{
    int shmid = shmget(key, size, shmflg);
    if(shmid == -1)//错误检测
    {
        cerr << "errno: " << errno << " strerror: " << strerror(errno) << endl;
        exit(2);
    }
    return shmid;
}

int createShm(key_t k, int size)
{
    umask(0);
    return createShmHelper(k, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}

int getShm(key_t k, int size)
{
    return createShmHelper(k, size, IPC_CREAT);
}

void* attachShm(int shmid)
{
    void* start = shmat(shmid, NULL, 0);
    return start;
}

void detachShm(void* start)
{
    int n = shmdt(start);
    assert(n != -1);
    (void)n;
}

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

#define SERVER 1
#define CLIENT 0    

class  Shm
{
public:
    Shm(int type):_type(type)
    {
        key_t key = GetKey();
        if (_type == SERVER) _shmid = createShm(key, gsize);
        else _shmid = getShm(key, gsize);
        _start = attachShm(_shmid);
    }
    void* getStart()
    {
        return _start;
    }
    ~Shm()
    {
        detachShm(_start);
        if (_type == SERVER) delShm(_shmid);
    }
private:
    void* _start;
    int _shmid;
    int _type;
};

#endif

server.cc用于创建共享内存，读取共享内存中的数据，完成共享内存的释放，具体内容如下:

#include "common.hpp"

int main()
{
    Shm shm(SERVER);
    char* start = (char*)shm.getStart();

    int n = 0;
    while(n < 30)
    {
        cout << "client send me : " << start << endl;
        n++;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

client.cc用于向共享内存写入数据，具体内容如下:

#include "common.hpp"

int main()
{
    Shm shm(CLIENT);
    char* start = (char*)shm.getStart();

    char ch = 'a';
    while(ch <= 'z')
    {
        start[ch - 'a'] = ch;
        ch++;
        start[ch - 'a'] = 0;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

编译代码运行并查看结果：