Linux进程间通信（IPC）机制之一：共享内存
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目录
什么是共享内存？
共享内存介绍
共享内存原理
函数接口详解
通过ftok获取key值
通过shmget创建共享内存
一些小细节
通过shmat挂接进程
通过shmdt取消与共享内存的关联
通过shmctl控制共享内存
IPC_RMID：删除共享内存
IPC_STAT：获取共享内存的状态
IPC_SET：改变共享内存的状态
共享内存的拓展
Makefile
server.cc
client.cc
代码效果
什么是共享内存？
共享内存介绍
Linux共享内存是一种快速的数据交换手段，允许多个进程访问同一块内存区域。
共享内存在Linux中是一种高效的进程间通信（IPC）机制，它使得不同的进程可以访问同一段内存区域，从而实现数据共享和传输。它是内核级别的资源，并且通常是进程间通信方式中最快的一种。Linux共享内存的使用方式主要有以下几种（本文主要介绍基于system V的共享内存）：
- 基于system V的共享内存：这是传统的方法，历史悠久，但API较为复杂。如果编译内核时没有选择CONFIG_SYSVIPC，则不会支持这种方式。
- 基于POSIX mmap文件映射实现共享内存：这种方法使用mmap系统调用将文件映射到内存中，从而实现共享。
- 通过memfd_create()和fd跨进程共享：这是一种较新的方法，用于创建匿名内存区域，并通过文件描述符在不同进程间共享。
- 基于dma-buf的共享内存：这在多媒体和图形领域广泛使用，适用于高性能的数据传输需求。
共享内存的优势在于其高速的数据传输能力，因为数据不需要在用户空间和内核空间之间复制。然而，它也有一些劣势，比如需要手动管理同步和并发访问，以及可能的安全问题，因为它绕过了操作系统的正常内存保护机制。为了提高安全性，可以使用命名管道等机制来实现访问控制。
共享内存原理
我们还是需要遵守一句话：进程间通信的前提是让不同的进程看到同一块资源（必须由OS提供）。共享内存区是最快的IPC形式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，换句话说是进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据。也就是说他是在用户空间中的而不是在内核空间中（缓冲区、文件属性等等就是在此）。如下是简易的图示：
更为详细的图示：
共享内存的原里实际上就是（1）在物理内存中申请一块空间（2）将申请的空间通过页表映射到进程的虚拟内存中的共享区中，共享区通过返回虚拟地址的首地址就可让进程看到资源。接着再让另外的进程做同样的操作，不够需要注意的是要指向同一块物理空间。这样我们就让不同的进程看到了同一块资源。（3）当我们去掉页表的映射关系。（4）释放物理内存的空间后，就解除了共享内存。
需要注意的是：系统中一定会有很多的共享内存存在，操作系统需要管理全部共享内存，因此我们会按照“先描述，在组织”的原则创建对应的数据结构进行管理。共享内存会必须要求有唯一标识符来区分，我们需要制定一定的规则、约定让不同的进程识别同一块共享内存从而得以通信。
函数接口详解
共享内存函数Linux共享内存的相关函数主要包括
shmget、shmat、shmdt和shmctl。具体如下：
1、shmget：这是创建或获取共享内存段的函数。它的原型是
#include
#include
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); -
key：用于指定共享内存的键值，可以是任意非负整数，通常通过ftok函数生成。size：指定共享内存段的大小。shmflg：设置共享内存段的权限和属性。
2、shmat：这个函数用于将共享内存段附加到进程的地址空间上。它的原型是
#include
#include
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); -
shmid：由shmget返回的共享内存标识符。shmaddr：可选参数，通常设置为nullptr，让系统自动选择一个地址来附加共享内存。shmflg：附加标志，如SHM_RDONLY以只读方式附加。
3、shmdt：当进程完成对共享内存的使用后，需要使用shmdt函数将其从进程的地址空间中分离（detach）。它的原型是
#include
#include
#include
int shmdt(void *addr); -
addr：之前通过shmat附加的共享内存地址。
4、shmctl：这个函数用于对共享内存段进行控制操作，如删除共享内存段。它的原型是：
#include
#include
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
- shmid：共享内存标识符，即要控制的共享内存段的标识符。
- cmd：控制命令，可取值如下：
- IPC_STAT：获取共享内存的状态。
- IPC_SET：改变共享内存的状态。
- IPC_RMID：删除共享内存。
- buf：指向struct shmid_ds结构的指针，该结构用于存储共享内存的状态信息。当cmd为IPC_STAT或IPC_SET时，需要使用此参数。
在实际应用中，通常会结合信号量或互斥锁等同步机制来确保数据的一致性和访问的安全性。此外，共享内存的使用也需要考虑到系统的资源限制，例如共享内存段的大小和数量都可能受到系统配置的限制。
通过ftok获取key值
如果我们要找到或者创建一个共享内存，我们需要约定一个相同的key值，这样才能找到对应的共享内存，才能让进程间相互通信。因此，这也是创建共享内纯的前提。
ftok函数用于将一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成IPC键值，以便在进程间通信中使用。
ftok函数是Linux系统编程中用于创建唯一键值的工具，这个键值通常用于进程间通信（IPC）的机制，如消息队列、信号量和共享内存。它的函数原型如下：
#include
#include
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
- 参数说明：
pathname：这是一个已存在的文件路径名，ftok会从这个路径名导出信息。proj_id：这是一个与路径名相关的项目ID，通常是0到255之间的整数。
- 返回值：函数返回一个
key_t类型的键值，这个键值是由pathname导出的信息与proj_id的低序8位组合而成的。
在使用ftok时，需要注意以下几点：
- 确保提供的
pathname确实存在，因为ftok会根据这个路径名生成键值的一部分。proj_id应该是一个相对较小的整数，因为它只会使用其低序8位。- 生成的键值应该是唯一的，以确保不同的进程间通信不会相互干扰。
如下示例：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
const std::string pathname = "/home/land/109/pip/systemV";
const int proj_id = 0x11223344;
key_t GetKey()
{
key_t key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);
if (key < 0)
{
std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
exit(1);
}
std::cout <<"key:"<< key << std::endl;
return key;
} 通过shmget创建共享内存
通过手册理解：
我们最经常使用的是IPC_CREAT、IP_EXCL。他们分别的含义是：
IPC_CREAT//shm不存在，就创建。存在，就获取并返回。
IP_EXCL//不能单独使用，shm不存在就创建，存在就出错返回。如下示例：
key_t key = GetKey();
int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL);
if (shmid < 0)
{
std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
exit(1);
}
std::cout << "shmid:" << shmid << std::endl;
return 0;
穿插认识一下查看和删除共享内存的命令：
ipcs -m//显示共享内存的属性
ipcrm -m shmid//删除指定的共享内存
一些小细节
前面我们在shmget的shmflg的介绍中知道这实际上还包含权限的设置，实际上要设置权限只需要在选完IPC_CREAT或IP_EXCL等后 | 上对应权限即可，如下：
key_t key = GetKey();
int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if (shmid < 0)
{
std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
exit(1);
}
std::cout << "shmid:" << shmid << std::endl;
return 0;当我们设置要申请的共享内存大小时，强烈建议申请4096的整数倍数大的大小，因为低层分配是按4096的整数倍数来分配大小的，比如：你申请4097大小，但是低层实际上是4096*2的大小。
通过shmat挂接进程
通过shmaddr可以选择一个地址来附加共享内存，但是通常我们会填nullptr，shmflg填是0，值得注意的是：它的返回值是一个void* 的挂接成功后的虚拟地址空间的起始地址，也就是之前原理所述start_addr。如下是对应的手册：
如下示例：
int main()
{
key_t key = GetKey();
int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if (shmid < 0)
{
std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
exit(1);
}
sleep(5);
std::cout << "shmid:" << shmid << std::endl;
std::cout<<"开始将shm映射到进程的地址空间中"<
通过shmdt取消与共享内存的关联
根据上shmat的返回值，也就是虚拟地址空间的起始地址来实现取消与共享内存的关联。实际上，取消关联的本质就是修改页表，我们可以从起始地址连续释放对应的虚拟内存的大小，在页表中连续释放对应大小的映射关系。根据shmat的示例来取消关联：
int main()
{
key_t key = GetKey();
int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if (shmid < 0)
{
std::cerr << "errno: " << errno << ", errstring: " << strerror(errno) << std::endl;
exit(1);
}
sleep(5);
std::cout << "shmid:" << shmid << std::endl;
std::cout<<"开始将shm映射到进程的地址空间中"<通过shmctl控制共享内存
IPC_RMID：删除共享内存
如下示例：
// 定义共享内存结构体变量，当然也可直接传nullptr
struct shmid_ds shmbuffer;
// 获取共享内存状态
int ret = shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmbuffer);
if (ret == -1) {
perror("shmctl");
exit(1);
}IPC_STAT：获取共享内存的状态
如下示例：
#include
#include
#include
int main() {
key_t key = GetKey();
// 共享内存标识符
int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664);
// 定义共享内存状态结构体变量
struct shmid_ds shmbuffer;
// 获取共享内存状态
int ret = shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmbuffer);
if (ret == -1) {
perror("shmctl");
return 1;
}
// 打印共享内存状态信息
printf("共享内存状态信息：\n");
printf("当前连接数： %d\n", shmbuffer.shm_nattch);
printf("最后一次操作进程ID: %d\n", shmbuffer.shm_lpid);
printf("最后一次操作时间： %ld\n", shmbuffer.shm_change_time);
printf("共享内存大小： %ld\n", shmbuffer.shm_segsz);
return 0;
} IPC_SET：改变共享内存的状态
如下示例：
#include
#include
#include
int main() {
key_t key = GetKey();
// 共享内存标识符
int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664);
// 定义共享内存状态结构体变量
struct shmid_ds shmbuffer;
// 获取共享内存状态
int ret = shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmbuffer);
if (ret == -1) {
perror("shmctl");
return 1;
}
// 修改共享内存状态
shmbuffer.shm_perm.mode |= 0666; // 设置共享内存权限为可读写
shmbuffer.shm_perm.uid = getuid(); // 设置共享内存所有者为用户ID
shmbuffer.shm_perm.gid = getgid(); // 设置共享内存所属组为用户组ID
// 更新共享内存状态
ret = shmctl(shmid, IPC_SET, &shmbuffer);
if (ret == -1) {
perror("shmctl");
return 1;
}
printf("共享内存状态已成功更新。\n");
return 0;
} 共享内存的拓展
值得注意的是：共享内存是没有同步机制的，但是可以通过其他方法实现同步。由于多个进程可能同时读写共享内存，因此需要一种同步机制来确保数据的一致性和防止竞态条件的发生。以下是一些常用的同步方法：
- 互斥锁（Mutexes）：互斥锁是一种用于保护共享资源不被多个线程同时访问的同步机制。在Linux中，可以使用pthread库中的互斥锁来实现进程间的同步。
- 信号量（Semaphores）：信号量是另一种用于同步不同进程或线程的机制。它可以控制对共享资源的访问数量。在Linux中，可以使用POSIX有名信号量或POSIX基于内存的信号量来实现同步。
- 信号（Signals）：虽然信号主要用于进程间的通知，但它们也可以用于同步。例如，一个进程可以发送信号给另一个进程，告知它共享内存已经更新，从而触发接收进程执行某些操作。
需要注意的是：在使用这些同步机制时，应当小心避免死锁和活锁的情况。此外，设计良好的同步策略对于提高系统性能和可靠性至关重要。
下面是一个通过命名管道控制共享内存同步的例子：通过命名管道控制client每秒向共享内存写入一个字母，每次写入成功后会发送一个信号给server，server在收到信号后才去读取共享内存中的内容，并且将读取到的内容打印出来，如下为完整的代码以及效果：
Makefile
.PHONY:all
all:server client
server:server.cc
g++ -o $@ $^ -std=c++11
client:client.cc
g++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:
rm -f server client fifoserver.cc
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "comm.hpp"
class Init
{
public:
Init()
{
bool r = MakeFifo();
if (!r)
return;
key_t key = GetKey();
std::cout << "key : " << ToHex(key) << std::endl;
shmid = CreateShm(key);
std::cout << "shmid: " << shmid << std::endl;
std::cout << "开始将shm映射到进程的地址空间中" << std::endl;
s = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);
fd = open(filename.c_str(), O_RDONLY);
}
~Init()
{
shmdt(s);
std::cout << "开始将shm从进程的地址空间中移除" << std::endl;
shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);
std::cout << "开始将shm从OS中删除" << std::endl;
close(fd);
unlink(filename.c_str());
}
public:
int shmid;
int fd;
char *s;
};
int main()
{
Init init;
//TODO
while (true)
{
// wait
int code = 0;
ssize_t n = read(init.fd, &code, sizeof(code));
if (n > 0)
{
// 直接读取
std::cout << "共享内存的内容: " << init.s << std::endl;
sleep(1);
}
else if (n == 0)
{
break;
}
}
sleep(10);
return 0;
} client.cc
#include
#include
#include
#include //Inter-Process Communication
#include
#include "comm.hpp"
int main()
{
key_t key = GetKey();
int shmid = GetShm(key);
char *s = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
std::cout << "attach shm done" << std::endl;
int fd = open(filename.c_str(), O_WRONLY);
// sleep(10);
// TODO
// 共享内存的通信方式，不会提供同步机制, 共享内存是直接裸露给所有的使用者的，一定要注意共享内存的使用安全问题
//
char c = 'a';
for(; c <= 'z'; c++)
{
s[c-'a'] = c;
std::cout << "write : " << c << " done" << std::endl;
sleep(1);
// 通知对方
int code = 1;
write(fd, &code, sizeof(4));
}
shmdt(s);
std::cout << "detach shm done" << std::endl;
close(fd);
return 0;
} 代码效果
感谢你耐心的看到这里ღ( ´･ᴗ･` )比心，如有哪里有错误请踢一脚作者o(╥﹏╥)o！
给个三连再走嘛~