【Linux】進程間通信——system V共享內(nèi)存

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?寫在前面的話

System V共享內(nèi)存原理

System V共享內(nèi)存的建立

代碼實現(xiàn)System V共享內(nèi)存

創(chuàng)建共享內(nèi)存shmget()

ftok()

刪除共享內(nèi)存shmctl()

掛接共享內(nèi)存shmat()

取消掛接共享內(nèi)存shmdt()

整體通信流程的實現(xiàn)

?寫在前面的話

???????? 上一章我們講了進程間通信的第一種方式 --- 管道，這一章我們將繼續(xù)講解進程間的通信的第二種方式 --- system V共享內(nèi)存。

? ? ? ? 在講解之前，還是先建議去把進程間通信管道的方式和原理搞明白，這樣理解起system V共享內(nèi)存來會簡單許多。

System V共享內(nèi)存原理

????????共享內(nèi)存是一種進程間通信（IPC）的機制，允許多個進程共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，以便它們可以直接讀取和寫入其中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)共享和通信。

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?????????在共享內(nèi)存中，當進程task_struct創(chuàng)建或連接到共享內(nèi)存段時，操作系統(tǒng)會為每個進程分配一個虛擬地址空間mm_srtuct，將這個虛擬地址通過頁表 映射到相同的物理內(nèi)存區(qū)域。這樣，多個進程就可以通過自己的虛擬地址訪問相同的物理內(nèi)存，實現(xiàn)對同一塊內(nèi)存的共享訪問。通過虛擬地址到物理地址的映射，多個進程可以看到同一個共享內(nèi)存.

? ? ? ? 那么如何釋放共享內(nèi)存呢？

也很簡單，只需要將每個進程和共享內(nèi)存建立的映射去掉，然后釋放掉共享內(nèi)存即可.

System V共享內(nèi)存的建立

? ? ? ? 假設有很多進程都在用共享內(nèi)存，這樣內(nèi)存中也會出現(xiàn)大量的共享內(nèi)存塊，所以OS要把這些共享內(nèi)存塊管理起來，方式：先描述再組織，這樣要把共享內(nèi)存屬性抽象成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后利用一些方式將這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織起來.所以：

? ? ? ?1. 共享內(nèi)存 = 共享內(nèi)存塊 + 共享內(nèi)存塊對應的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

? ? ? ?2.共享內(nèi)存塊一定不屬于任何一個進程，而是屬于操作系統(tǒng).

建立共享內(nèi)存的大體流程如下：

創(chuàng)建共享內(nèi)存段：使用?shmget()?系統(tǒng)調(diào)用來請求創(chuàng)建一個共享內(nèi)存段。該調(diào)用需要指定共享內(nèi)存的大小、權(quán)限和標志等參數(shù)，并返回一個唯一的共享內(nèi)存標識符。

連接到共享內(nèi)存段：使用?shmat()?系統(tǒng)調(diào)用將當前進程附加到共享內(nèi)存段。這個調(diào)用將返回共享內(nèi)存段的地址，并將該地址映射到當前進程的虛擬地址空間。

訪問共享內(nèi)存：連接到共享內(nèi)存的進程可以通過在其地址上執(zhí)行內(nèi)存操作，直接讀取和寫入共享內(nèi)存段中的數(shù)據(jù)。進程可以使用指針、數(shù)組或結(jié)構(gòu)體等方式在共享內(nèi)存段中存儲和訪問數(shù)據(jù)。

分離共享內(nèi)存：當進程完成對共享內(nèi)存的訪問后，使用?shmdt()?系統(tǒng)調(diào)用將其與共享內(nèi)存段分離。分離后，進程將無法再訪問共享內(nèi)存段，但共享內(nèi)存段仍然存在。

刪除共享內(nèi)存段：當不再需要共享內(nèi)存段時，可以使用?shmctl()?系統(tǒng)調(diào)用刪除它。這個調(diào)用需要指定共享內(nèi)存標識符和特定的控制操作，比如傳遞?IPC_RMID?參數(shù)表示刪除共享內(nèi)存段.

? ? ? ? 具體的使用方法及原理，我們在下面馬上講解。

代碼實現(xiàn)System V共享內(nèi)存

? ? ? ? 按我們上面所說的，第一步是利用shmget()建立共享內(nèi)存段，我們來看一下它的用法.

創(chuàng)建共享內(nèi)存shmget()

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? ? ? ? 這個函數(shù)作用是創(chuàng)建并獲取一個共享內(nèi)存。

? ? ? ? 先說第二個參數(shù)，是size，代表的是要創(chuàng)建的共享內(nèi)存有多大

? ? ? ? 再來說第三個參數(shù)shmflg，代表我們要設置的選項，共有兩個選項：

????????1.IPC_CREATE：創(chuàng)建共享內(nèi)存，如果底層已經(jīng)存在，則獲取并返回；如果不存在，則創(chuàng)建共享內(nèi)存然后再返回，

????????2.IPC_EXCL：單獨使用它沒有意義，一般和IPC_CREATE合起來使用，見下：

? ? ? ? 3.IPC_CREATE | IPC_EXCL：如果底層不存在，則創(chuàng)建共享內(nèi)存并返回；如果底層存在，則出錯返回。言外之意，如果返回成功，那么一定是一個全新的內(nèi)存塊！

? ? ? ? 最后再來說第一個參數(shù) key.

? ? ? ? 我們利用共享內(nèi)存通信時會有一個問題，要通信的對方進程，怎么保證對方看到的共享內(nèi)存就是我創(chuàng)建的呢？畢竟有很多共享內(nèi)存.

? ? ? ? 這個我們就需要通過key，key數(shù)據(jù)是多少不重要，只要保證在系統(tǒng)里唯一即可！兩個通信端A 和 B，只要使用同一個key，便可以找到同一塊共享內(nèi)存。因為key是唯一的，即這個共享內(nèi)存塊也是唯一的！

? ? ? ? 相當于是給每個共享內(nèi)存塊編了個號，這個號碼是唯一的，所以只要拿到了編號，就能找到相同的共享內(nèi)存塊。

? ? ? ? 那么這個唯一的key值如何得到呢？這里需要用到ftok()函數(shù)

ftok()

我們先來看一下函數(shù)的使用：

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pathname：一個字符串，用于標識一個文件的路徑名。通常會選擇一個已經(jīng)存在的文件，因為?ftok()?函數(shù)將使用該文件的inode編號和?proj_id?參數(shù)通過算法來生成鍵值key。
proj_id：一個整數(shù)，作為用于生成鍵的項目標識號。該參數(shù)通常取一個非負整數(shù)。

然后我們來看一下返回值：

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? ? ? ? ?看到如果成功的話，生成的鍵值被返回，否則-1被返回。

這些說清楚了，我們來用一下吧：

首先四個文件，comm.hpp，里面包含了必要的頭文件及宏定義，這個便不再展示了；

? ? ? ? Log.hpp是日志文件，上一章我們寫了，這里不寫也可以，直接cout輸出也行。

? ? ? ? shmClient.cc中我們寫入以下代碼：

#include "comm.hpp"
#include "Log.hpp"
int main()
{
    key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    Log("create key done",Debug) << " client key : " << k << endl;

    return 0;
}

? ? ? ? shmServer中拷貝一份代碼，然后把輸出語句中的client改成server，然后我們編譯運行來及看一下效果：

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?????????可以發(fā)現(xiàn)生成了一樣的key值，這樣便可以找到同一塊共享內(nèi)存塊了.

這樣shmget的第一個參數(shù)也講完了，接下來說一下返回值.

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????返回值是如果建立成功，則返回這段共享內(nèi)存的標識符，否則返回-1并且錯誤碼被設置。

刪除共享內(nèi)存shmctl()

????????當我們創(chuàng)建好共享內(nèi)存后，最后還需要刪除它，因為共享內(nèi)存的生命周期是隨內(nèi)核的！

? ? ? ? 不關(guān)閉的話，只要操作系統(tǒng)一直在運行，那么它就一直存在，占用空間資源。所以必須需要刪除.

? ? ? ? 有兩種方法刪除：手動指令刪除、代碼刪除

指令刪除：

? ? ? ? 我們首先創(chuàng)建了一個共享內(nèi)存，然后該進程執(zhí)行完畢，進程退出。? ? ? ? ? ? ? ?? 【Linux】進程間通信——system V共享內(nèi)存,linux,運維,服務器,共享內(nèi)存,shmget,system V

?????????我們在終端輸入

ipcs -m

? ? ? ? 來查看當前共享內(nèi)存的使用情況

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?????????可以發(fā)現(xiàn)確實沒有釋放掉。然后我們可以利用

ipcrm -m shmid

? ? ? ? 來刪除對應的共享內(nèi)存，此時我輸入這條指令后便沒有了這塊內(nèi)存了。

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這里提到了perms，這個是權(quán)限的意思，我們可以在shmget的第三個選項加上權(quán)限，如下:

    int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

此時perms就變成了666.?

代碼刪除

????????每次手動刪除太麻煩了，我們直接卸載程序里到時候自動幫我們刪除不更方便嗎

? ? ? ? 所以我們需要用到一個函數(shù)shmctl()

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shmid：共享內(nèi)存段的標識符（ID），即通過調(diào)用?shmget()?函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存時返回的?shmid。
cmd：控制命令，用于指定要執(zhí)行的操作類型。可以使用以下命令之一：
- IPC_STAT：獲取共享內(nèi)存段的狀態(tài)信息，將結(jié)果存儲在?buf?參數(shù)指向的?struct shmid_ds?結(jié)構(gòu)體中。
- IPC_SET：設置共享內(nèi)存段的狀態(tài)信息，使用?buf?參數(shù)中提供的值。
- IPC_RMID：刪除共享內(nèi)存段，將其標記為刪除狀態(tài)，并在釋放最后一個進程的附加段之后銷毀。
buf：一個指向?struct shmid_ds?結(jié)構(gòu)體的指針，用于傳遞或接收共享內(nèi)存段的狀態(tài)信息。

? ? ?這是struct shmid_ds結(jié)構(gòu)體指針的內(nèi)容：

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;   // 共享內(nèi)存的權(quán)限信息
    size_t shm_segsz;           // 共享內(nèi)存的大小
    time_t shm_atime;           // 上一次連接共享內(nèi)存的時間
    time_t shm_dtime;           // 上一次與共享內(nèi)存斷開連接的時間
    time_t shm_ctime;           // 上一次修改共享內(nèi)存的時間
    pid_t shm_cpid;             // 創(chuàng)建共享內(nèi)存的進程ID
    pid_t shm_lpid;             // 最后一個操作共享內(nèi)存的進程ID
    unsigned short shm_nattch;  // 當前連接到共享內(nèi)存的進程數(shù)量
    // 其他字段...
};

其中第二個參數(shù)cmd我們目前只使用第3個IPC_RMID刪除共享內(nèi)存的選項。

第三個參數(shù)buf我們暫且不使用，直接傳入nullptr。

    int n = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);

掛接共享內(nèi)存shmat()

????????我們創(chuàng)建好了共享內(nèi)存，當然需要將進程的地址空間與其掛接上，然后才能使用，這里使用到了函數(shù)shmat().

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shmat()?函數(shù)接受三個參數(shù)：

shmid：共享內(nèi)存段的標識符（ID），即通過調(diào)用?shmget()?函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存時返回的?shmid。表示你想掛接哪一個共享內(nèi)存。
shmaddr：共享內(nèi)存段連接到進程地址空間的首地址。通常將其設置為?NULL，指示系統(tǒng)選擇適當?shù)牡刂贰?/strong>如果想要指定特定的地址，可以傳遞一個非空的地址值。但不建議這樣使用。

shmflg：標志參數(shù)，用于指定連接共享內(nèi)存的選項。常用的選項有：

SHM_RDONLY：以只讀方式連接共享內(nèi)存，不允許寫入。

SHM_RND：將?shmaddr?參數(shù)忽略，系統(tǒng)選擇一個地址以進行連接。

? ? ? ? ? ? ? 其他選項參考?shmat()?函數(shù)的文檔以獲得更多詳細信息。

????????它的返回值是void*，是一個指向共享內(nèi)存段的指針，即連接到進程地址空間的首地址。我們需要將結(jié)果強轉(zhuǎn)為我們需要的類型，一般為char*，和malloc的使用類似。

所以可以如下這樣使用：

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

shmaddr便是連接的進程地址空間的首地址。

取消掛接共享內(nèi)存shmdt()

????????刪除共享內(nèi)存時，無論有多少個進程與共享內(nèi)存連接，都會被直接清理掉，這種方式不太好，所以在刪除共享內(nèi)存前，可以先取消掛接。當掛接數(shù)為0時，再釋放共享內(nèi)存。

? ? ? ? 同樣先來看一下用法：

?????????這個參數(shù)正好是我們剛才shmat返回的進程地址空間的首地址shmaddr，表示將共享內(nèi)存從調(diào)用進程的地址空間中分離，使得該進程無法再訪問該共享內(nèi)存。

????????再來看一下返回值：

? ? ? ? 如果取消掛接成功，則返回0，失敗則返回-1.

所以我們可以直接這么使用：

//3.將指定的共享內(nèi)存，掛接到自己的地址空間 char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY); //這里就是通信的邏輯 //4.將指定的共享內(nèi)存，從自己的進程地址空間取消關(guān)聯(lián) int n = shmdt(shmaddr); assert(n != -1);

整體通信流程的實現(xiàn)

? ? ? ? 認識了上面的接口，加上我們在共享內(nèi)存的建立中所說的步驟，我們便可以制作一個完整的利用System V共享內(nèi)存通信的流程了。????????

? ? ? ? 0. 我們要利用ftok()生成共享內(nèi)存唯一標識key.

? ? ? ? 1. 然后我們利用key調(diào)用shmget()函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存

? ? ? ? 2. 接著我們需要利用shmat()掛接上共享內(nèi)存

? ? ? ? 3. 然后實現(xiàn)通信的流程

? ? ? ? 4. 利用shmdt()取消掛接

? ? ? ? 5. 利用shmctl()刪除共享內(nèi)存(一般是server，誰創(chuàng)建的誰刪除)

這里一共四個文件，分別為Log.hpp(日志信息)，comm.hpp(共用的頭文件),shmServer.cc, shmClient.cc?

Log.hpp(日志信息)

#pragma once #include <iostream> #include <ctime> #include<string> using namespace std; #define Debug 0 #define Notice 1 #define Warning 2 #define Error 3 string msg[] = { "Debug ", "Notice", "Warning", "Error" }; ostream& Log(string message,int level) { cout << " | " << (unsigned)time(NULL) << " | " << msg[level] << " | " << message; return cout; }

comm.hpp(共用的頭文件)

#pragma once #include<iostream> #include<string> #include<cstring> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<assert.h> #include<sys/types.h> #include<sys/ipc.h> #include<sys/shm.h> using namespace std; #define PATH_NAME "/home/hyx" #define PROJ_ID 0x66 #define SHM_SIZE 4096 //最好是頁(PAGE:4096)的整數(shù)倍,假設是4097，OS也會申請4096*2的空間，剩下的4095空間相當于浪費了

shmServer.cc

#include "comm.hpp" #include "Log.hpp" string TransToHex(key_t k) { char buffer[32]; snprintf(buffer, sizeof(buffer),"0x%x",k); return buffer; } int main() { //1.創(chuàng)建公共的key值 key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID); Log("create key done",Debug) << " server key : " << TransToHex(k) << endl; //2.創(chuàng)建共享內(nèi)存 --- 建議創(chuàng)建一個全新的共享內(nèi)存 int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); if(shmid == -1) { perror("shmget"); exit(1); } Log("create shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; // sleep(10); //3.將指定的共享內(nèi)存，掛接到自己的地址空間 char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY); Log("attach shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; // sleep(10); //這里就是通信的邏輯 //將共享內(nèi)存當做一個大字符串 // char buffer[SHM_SIZE]; //結(jié)論1：只要雙方使用shm，一方直接向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)。另一方就可以立馬看到 // 共享內(nèi)存是所有進程IPC，速度最快的！因為不需要過多的拷貝！表現(xiàn)為不需要將數(shù)據(jù)拷貝給操作系統(tǒng) for(;;) { printf("%s\n",shmaddr); if(strcmp(shmaddr,"quit") == 0) break; sleep(1); } //4.將指定的共享內(nèi)存，從自己的進程地址空間取消關(guān)聯(lián) int n = shmdt(shmaddr); assert(n != -1); Log("detach shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; // sleep(10); //5..刪除共享內(nèi)存 n = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr); assert(n != -1); Log("delete shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; return 0; }

shmClient.cc?

#include "comm.hpp" #include "Log.hpp" int main() { key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID); if(k < 0) { Log("create key done", Error) << "client key : " << k << endl; exit(1); } Log("create key done",Debug) << " client key : " << k << endl; //獲取共享內(nèi)存 int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT); if(shmid < 0) { Log("create shm failed", Error) << "client key : " << k << endl; exit(2); } Log("create shm success", Debug) << "client key : " << k << endl; // sleep(10); char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0); if(shmaddr == nullptr) { Log("attach shm failed", Error) << "client key : " << k << endl; exit(3); } Log("attach shm success", Debug) << "client key : " << k << endl; // sleep(10); //使用 //client將共享內(nèi)存看做一個char類型的buffer char a = 'a'; for(;a <= 'e'; a++) { //我們是每一次都向shmaddr[共享內(nèi)存起始地址]寫入 snprintf(shmaddr,SHM_SIZE-1,\ "hello,server, my pid is: %d, inc : %c\n",getpid(),a); sleep(2); } strcpy(shmaddr,"quit"); //去關(guān)聯(lián) int n = shmdt(shmaddr); assert(n != -1); Log("detach shm success",Debug) << "client key : " << k << endl; // sleep(10); //client 不需要刪除共享內(nèi)存，server負責這些，和client沒關(guān)系。 return 0; }

然后我們編譯運行，分兩個窗口觀察：

?client

?可以看到，雙方都實現(xiàn)了通信。

到這里System V共享內(nèi)存就介紹完畢了，如果有不懂或疑問的地方，歡迎評論區(qū)或私信哦~文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-626446.html
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