Linux知識(shí)點(diǎn) – 進(jìn)程間通信（二）

一、System V共享內(nèi)存

1.原理

先在內(nèi)存中申請(qǐng)空間，然后將這段空間映射到不同進(jìn)程的地址空間中，這就叫做共享內(nèi)存；
一般都是映射在進(jìn)程的堆棧之間的共享區(qū)；
共享內(nèi)存不屬于任何一個(gè)進(jìn)程，它屬于操作系統(tǒng)；
操作系統(tǒng)對(duì)共享內(nèi)存的管理，是先描述再組織，先通過內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述共享內(nèi)存的屬性信息，再將它們組織起來；
共享內(nèi)存 = 共享內(nèi)存塊 + 對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
共享區(qū)屬于用戶空間，不用經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)用，直接可以訪問；
雙方進(jìn)程如果要通信，直接進(jìn)行內(nèi)存級(jí)的讀寫即可；
之前的管道是一種文件。是OS中的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以用戶無權(quán)直接訪問，需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用；

2.申請(qǐng)共享內(nèi)存

shmget接口能夠申請(qǐng)共享內(nèi)存；

• 參數(shù)：
  key：通信雙方的進(jìn)程，通過key值來保證是通信的雙方來創(chuàng)建的共享內(nèi)存，相當(dāng)于一個(gè)驗(yàn)證值，需要在系統(tǒng)內(nèi)是唯一的，通信雙方使用同一個(gè)key；
  size：內(nèi)存大小，一般是頁（4byte）的整數(shù)倍；
  shmflag：有兩個(gè)選項(xiàng)：IPC_CREAT和IPC_EXCL；
  IPC_CREAT能單獨(dú)出現(xiàn)，代表如果共享內(nèi)存已存在，則獲取之；如果不存在，就創(chuàng)建之，并返回；
  IPC_EXCL必須和IPC_CREAT組合使用，代表如果共享內(nèi)存不存在，就創(chuàng)建之，并返回；如果已存在，出錯(cuò)并返回；
  0就代表IPC_CREAT；
  返回值：成功會(huì)返回共享內(nèi)存id，失敗返回-1；

ftok函數(shù)：生成唯一的key

• 參數(shù)：
  ==pathname：==文件路徑，一定要保證用戶有權(quán)限；
  ==id：==項(xiàng)目id，隨便給，一般是0 - 255；
  返回值：成功，返回key值；失敗，返回-1；
  ftok會(huì)拿路徑文件的inode，和id形成一個(gè)唯一的key，生成結(jié)果是有可能重復(fù)的；

3.System V共享內(nèi)存的使用

• Makefile：

.PHONY:all
all:shmClient shmServer

shmServer:shmServer.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 
shmClient:shmClient.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11 

.PHONY:clean
claen:
	rm -f shmServer shmClient

• Log.hpp

#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_

#include<iostream>
#include<ctime>

#define DeBug   0
#define Notice  1
#define Waring  2
#define Error   3

const std::string msg[] = {
    "DeBug",
    "Notice",
    "Waring",
    "Error"
};

std::ostream &Log(std::string message, int level)
{
    std::cout << " | " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << msg[level] << " | " << message;
    return std::cout;
}
#endif

• comm.hpp

#ifndef _COMM_H_
#define _COMM_H_

#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<cassert>
#include "Log.hpp"

using namespace std;

#define PATH_NAME "/usr/lmx" //路徑，一定保證有權(quán)限
#define PROJ_ID 0X66   
#define SHM_SIZE 4096 //共享內(nèi)存大小，最好是頁（4byte）的整數(shù)倍

#endif

• shmServer.cc
  #include “comm.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 key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
if (key == -1)
{
perror(“ftok”);
exit(1);
}

Log("creat key done", DeBug) << "server key : " << TransToHex(key) << endl;

// 2.創(chuàng)建共享內(nèi)存 -- 建議創(chuàng)建一個(gè)全新的共享內(nèi)存 -- 通信的發(fā)起者
int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if (shmid == -1)
{
    perror("shmget");
    exit(2);
}
Log("shm creat done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

//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, 0);
Log("attach shm done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

//這里就是通信邏輯了
//將共享內(nèi)存看作一個(gè)大字符串
//shmaddr就是這個(gè)字符串的起始地址
for(;;)
{
    printf("%s\n", shmaddr);//不斷打印這個(gè)字符串的內(nèi)容
    if(strcmp(shmaddr, "quit") == 0)
    {
        break;
    }
    sleep(1);
}

//4.將指定的共享內(nèi)存，從自己的地址空間中去關(guān)聯(lián)
int n = shmdt(shmaddr);
if(n == -1)
{
    perror("shmdt");
    exit(3);
}
Log("detach shm done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

//5.刪除共享內(nèi)存，IPC_RMID即便是有進(jìn)程和當(dāng)下的shm掛接，依舊刪除共享內(nèi)存
n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);
if(n == -1)
{
    perror("shmctl");
    exit(4);
}
Log("delete shm done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

return 0;

}

注意：
（1）

要保證創(chuàng)建出唯一的key；*
（2）

創(chuàng)建全新的共享內(nèi)存，0666代表共享內(nèi)存的權(quán)限；
共享內(nèi)存的大小最好是頁的整數(shù)倍，否則會(huì)造成空間浪費(fèi)，多開空間，但是沒有權(quán)限訪問；

第二次創(chuàng)建的時(shí)候，提示共享內(nèi)存已存在；

（3）ipcs -m：查看共享內(nèi)存信息；

ipcrm -m shmid：刪除共享內(nèi)存（不能用key刪除）
共享內(nèi)存的生命周期隨內(nèi)核;
與文件不一樣，文件的生命周期，如果進(jìn)程退出，沒有其他進(jìn)程再關(guān)聯(lián)這個(gè)文件，那么就會(huì)被回收;


perms屬性就是共享內(nèi)存的權(quán)限，

（4）因此，當(dāng)進(jìn)程結(jié)束后，共享內(nèi)存還存在，我們繼續(xù)要?jiǎng)h除它，使用系統(tǒng)接口：
shmctl：刪除共享內(nèi)存


（5）nattch屬性是掛接的共享內(nèi)存?zhèn)€數(shù)，共享內(nèi)存創(chuàng)建好之后，需要掛接在自己的進(jìn)程地址空間；
shmat：掛接共享內(nèi)存

參數(shù)：
shmid：共享內(nèi)存id
shmaddr：掛接虛擬地址，直接設(shè)為0，讓os掛接
shmflg：掛接方式
返回值：成功返回共享內(nèi)存addr虛擬地址，失敗返回-1
使用：
將返回值作為共享內(nèi)存的起始地址；

shmdt：去關(guān)聯(lián)

參數(shù)：
shmaddr：共享內(nèi)存地址
返回值：成功返回0，失敗返回-1

• shmClient.cc

#include "comm.hpp"

int main()
{
    // 客戶端也獲取key
    key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    if (key < 0)
    {
        Log("creat key failed", Error) << "client key : " << key << endl;
        exit(1);
    }
    Log("creat key done", DeBug) << "client key : " << key << endl;

    // 獲取共享內(nèi)存
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0);
    if (shmid == -1)
    {
        Log("creat shm failed", Error) << "client key : " << key << endl;
        exit(2);
    }
    Log("creat shm done", DeBug) << "client key : " << key << endl;


    // 掛接共享內(nèi)存
    char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (shmaddr == nullptr)
    {
        Log("attach shm failed", Error) << "client key : " << key << endl;
    }
    Log("attach shm done", DeBug) << "client key : " << key << endl;
    
    // 使用
    //client將共享內(nèi)存看作一個(gè)char類型的buffer
    //客戶端從鍵盤讀取消息，直接讀到共享內(nèi)存中
    while (true)
    {
        ssize_t s = read(0, shmaddr, SHM_SIZE - 1);
        if(s > 0)
        {
            shmaddr[s - 1] = 0;
            if(strcmp(shmaddr, "quit") == 0)//讀到quit，客戶端退出
            {
                break;
            }
        }
    }
    
    // char a = 'a';
    // for(; a <= 'z'; a++)
    // {
    //     //每一次都向shmaddr（共享內(nèi)存的起始地址）寫入
    //     snprintf(shmaddr, SHM_SIZE - 1, 
    //             "hello server, 我是其他進(jìn)程，我的pid： %d, inc: %c\n", 
    //             getpid(), a);
    //     sleep(2);
    // }

    // 去關(guān)聯(lián)
    int n = shmdt(shmaddr);
    if (n == -1)
    {
        perror("shmdt");
        exit(3);
    }
    Log("detach shm done", DeBug) << "client key : " << key << endl;

    // client不需要?jiǎng)h除shm

    return 0;
}

注意：
（1）共享內(nèi)存的使用，直接將共享內(nèi)存看作一個(gè)char類型的buffer，直接向里面寫入數(shù)據(jù)

從stdin中鍵盤讀取消息，直接讀取到shmaddr這個(gè)地址，即共享內(nèi)存的起始地址；

運(yùn)行結(jié)果：
服務(wù)端：

客戶端：

• 注：
  （1）只要是通信雙方使用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對(duì)方寫入的數(shù)據(jù)；共享內(nèi)存是所有進(jìn)程間通信中最快的，不需要過多的拷貝；
  （2）管道通信中，一次通信需要多次拷貝，用戶從鍵盤輸入數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)是一次拷貝，從緩沖區(qū)向管道文件寫入數(shù)據(jù)又是一次拷貝，從管道文件向緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)是一次拷貝，從緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)打印又是一次拷貝；
  

（3）共享內(nèi)存只需要兩次拷貝，從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)直接寫入shm，這是一次拷貝，直接將shm的數(shù)據(jù)打印出來，這是第二次拷貝；

4.為共享內(nèi)存添加訪問控制

從上面的結(jié)果可以看出，即便是客戶端還沒有掛接共享內(nèi)存，服務(wù)端就已經(jīng)開始不停讀取數(shù)據(jù)了，這就表明共享內(nèi)存是不帶訪問控制的，會(huì)帶來一定的并發(fā)問題；
然而，管道是自帶訪問控制的，我們可以利用管道通信來為共享內(nèi)存添加訪問控制；
comm.hpp

#ifndef _COMM_H_
#define _COMM_H_

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "Log.hpp"

using namespace std;

#define PATH_NAME "/home/lmx" // 路徑，一定保證有權(quán)限
#define PROJ_ID 0X66
#define SHM_SIZE 4096 // 共享內(nèi)存大小，最好是頁（4byte）的整數(shù)倍

#define FIFO_NAME "./fifo"

class Init
{
public:
    Init()
    {
        umask(0);
        int n = mkfifo(FIFO_NAME, 0666);
        assert(n == 0);
        (void)n;
        Log("creat fifo succsee", Notice) << "\n";
    }

    ~Init()
    {
        unlink(FIFO_NAME);
        Log("remove fifo succsee", Notice) << "\n";
    }
};


#define READ O_RDONLY
#define WRITE O_WRONLY

int OpenFIFO(std::string pathname, int flags)
{
    int fd = open(pathname.c_str(), flags);
    assert(fd >= 0);
    return fd;
}

void Wait(int fd)
{
    Log("waiting...", Notice) << "\n";
    uint32_t temp = 0;
    ssize_t s = read(fd, &temp, sizeof(uint32_t));
    assert(s == sizeof(uint32_t));
    (void)s;
}

void Signal(int fd)
{
    uint32_t temp = 1;
    ssize_t s = write(fd, &temp, sizeof(uint32_t));
    assert(s == sizeof(uint32_t));
    (void)s;
    Log("aweaking...", Notice) << "\n";
}

void CloseFIFO(int fd)
{
    close(fd);
}

#endif

注：
（1）創(chuàng)建了一個(gè)類，類的構(gòu)造函數(shù)有創(chuàng)建管道文件，一旦類實(shí)例化出對(duì)象，調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，就能夠創(chuàng)建一個(gè)管道文件，后面就是對(duì)管道文件的讀寫控制了；

shmServer.cc

#include "comm.hpp"

string TransToHex(key_t k)
{
    char buffer[32];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", k);
    return buffer;
}

int main()
{
    Init init;
    // 對(duì)應(yīng)的程序在加載的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)構(gòu)建全局變量，就要調(diào)用該類構(gòu)造函數(shù) -- 創(chuàng)建管道文件
    // 程序退出的時(shí)候，全局變量會(huì)被析構(gòu)，會(huì)自動(dòng)刪除管道文件

    // 1.創(chuàng)建公共的key值
    key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    if (key == -1)
    {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }

    Log("creat key done", DeBug) << "server key : " << TransToHex(key) << endl;

    // 2.創(chuàng)建共享內(nèi)存 -- 建議創(chuàng)建一個(gè)全新的共享內(nèi)存 -- 通信的發(fā)起者
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        exit(2);
    }
    Log("shm creat done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

    // 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, 0);
    Log("attach shm done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

    // 這里就是通信邏輯了
    // 將共享內(nèi)存看作一個(gè)大字符串
    // shmaddr就是這個(gè)字符串的起始地址

    //使用管道進(jìn)行訪問控制
    int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, READ);

    for (;;)
    {
        Wait(fd);//等待客戶端響應(yīng)，
                    //使用管道文件的訪問控制，如果客戶端沒有向管道內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，那么該進(jìn)程會(huì)一直阻塞
        printf("%s\n", shmaddr); // 不斷打印這個(gè)字符串的內(nèi)容
        if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0)
        {
            break;
        }
        sleep(1);
    }

    CloseFIFO(fd);

    // 4.將指定的共享內(nèi)存，從自己的地址空間中去關(guān)聯(lián)
    int n = shmdt(shmaddr);
    if (n == -1)
    {
        perror("shmdt");
        exit(3);
    }
    Log("detach shm done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

    // 5.刪除共享內(nèi)存，IPC_RMID即便是有進(jìn)程和當(dāng)下的shm掛接，依舊刪除共享內(nèi)存
    n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);
    if (n == -1)
    {
        perror("shmctl");
        exit(4);
    }
    Log("delete shm done", DeBug) << "shmid : " << shmid << endl;

    return 0;
}

注：
（1）在服務(wù)端先創(chuàng)建一個(gè)管道文件

（2）在讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)前，先讀取管道數(shù)據(jù)，看客戶端是否響應(yīng)；

shmClient.cc

#include "comm.hpp"

int main()
{
    // 客戶端也獲取key
    key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    if (key < 0)
    {
        Log("creat key failed", Error) << "client key : " << key << endl;
        exit(1);
    }
    Log("creat key done", DeBug) << "client key : " << key << endl;

    // 獲取共享內(nèi)存
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0);
    if (shmid == -1)
    {
        Log("creat shm failed", Error) << "client key : " << key << endl;
        exit(2);
    }
    Log("creat shm done", DeBug) << "client key : " << key << endl;


    // 掛接共享內(nèi)存
    char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (shmaddr == nullptr)
    {
        Log("attach shm failed", Error) << "client key : " << key << endl;
    }
    Log("attach shm done", DeBug) << "client key : " << key << endl;
    
    // 使用
    //client將共享內(nèi)存看作一個(gè)char類型的buffer
    //客戶端從鍵盤讀取消息，直接讀到共享內(nèi)存中

    //使用管道進(jìn)行訪問控制
    int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, WRITE);

    while (true)
    {
        ssize_t s = read(0, shmaddr, SHM_SIZE - 1);
        if(s > 0)
        {
            shmaddr[s - 1] = 0;
            Signal(fd);//向管道寫入數(shù)據(jù)
            if(strcmp(shmaddr, "quit") == 0)//讀到quit，客戶端退出
            {
                break;
            }
        }
    }

    CloseFIFO(fd);
    
    // 去關(guān)聯(lián)
    int n = shmdt(shmaddr);
    if (n == -1)
    {
        perror("shmdt");
        exit(3);
    }
    Log("detach shm done", DeBug) << "client key : " << key << endl;

    // client不需要?jiǎng)h除shm

    return 0;
}

注：
（1）在向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)前，先向管道寫入信號(hào)，表明客戶端準(zhǔn)備寫入數(shù)據(jù)，喚醒服務(wù)端：

運(yùn)行結(jié)果：
當(dāng)運(yùn)行服務(wù)端，但是客戶端未響應(yīng)時(shí)，服務(wù)端會(huì)等待客戶端響應(yīng)，進(jìn)程阻塞；

當(dāng)客戶端響應(yīng)時(shí)，服務(wù)端會(huì)被喚醒，讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)：

退出：

二、信號(hào)量（概念理解）

1.概念

• 基于對(duì)共享內(nèi)存的理解：
  為了讓進(jìn)程間通信，讓不同的進(jìn)程之間，看到同一份資源，我們之前講的所有的進(jìn)程間通信都是基于這種方式；
  而讓不同的進(jìn)程看到同一份資源，比如共享內(nèi)存，也帶來了一些時(shí)序問題，會(huì)造成數(shù)據(jù)的不一致

• 概念
  （1）臨界資源：多個(gè)進(jìn)程（執(zhí)行流）看到的公共的一份資源；
  （2）臨界區(qū)：自己的進(jìn)程，訪問臨界資源的代碼；
  （3）互斥：為了更好的進(jìn)行臨界區(qū)的維護(hù)，可以讓多執(zhí)行流在任何時(shí)刻，都只能有一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)；
  （4）原子性：要么不做，要么做完，沒有中間狀態(tài)；

2.信號(hào)量

我們平?？措娪扒?，會(huì)先買票，電影院中的座位就相當(dāng)于資源，當(dāng)你買了票，這個(gè)座位就真正屬于你，買票的本質(zhì)就是對(duì)座位的預(yù)定機(jī)制；
對(duì)于進(jìn)程來說，訪問臨界資源中的一部分，不能讓進(jìn)程直接去使用臨界資源，需要先申請(qǐng)信號(hào)量；
信號(hào)量的本質(zhì)是一個(gè)計(jì)數(shù)器；

• 申請(qǐng)信號(hào)量：
  （1）申請(qǐng)信號(hào)量的本質(zhì)，就是讓信號(hào)量技術(shù)器 - -；
  （2）申請(qǐng)信號(hào)量成功，臨界資源內(nèi)部，一定給進(jìn)程預(yù)留了需要的資源，申請(qǐng)信號(hào)量的本質(zhì)就是對(duì)臨界資源的一種預(yù)定機(jī)制；

• 釋放信號(hào)量：
  釋放信號(hào)量就是將計(jì)數(shù)器++；

如果將信號(hào)量計(jì)數(shù)器設(shè)為全局變量（整數(shù)n，存放在共享內(nèi)存），讓多個(gè)進(jìn)程看到同一個(gè)全局變量，大家都能夠進(jìn)行信號(hào)量的申請(qǐng)，這樣是不行的；
因?yàn)镃PU在執(zhí)行n++這個(gè)指令的時(shí)候，其實(shí)執(zhí)行了三條語句：
（1）將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)加載到CPU內(nèi)的寄存器（讀指令）；
（2）n–（執(zhí)行指令）；
（3）將CPU修改完畢的值再寫入內(nèi)存（寫指令）；
而執(zhí)行流在執(zhí)行的時(shí)候，在任何時(shí)刻都是能被切換的；
例如：
如果信號(hào)量剛開始是5，client在申請(qǐng)信號(hào)量的時(shí)候，第一步就被切換了，寄存器里的數(shù)據(jù)保存為上下文數(shù)據(jù)，
由server申請(qǐng)信號(hào)量，如果server將信號(hào)量減到2了，此時(shí)server被切換，client回來
client回來的時(shí)候就會(huì)將上下文數(shù)據(jù)恢復(fù)，將信號(hào)量恢復(fù)為5，再申請(qǐng)信號(hào)量，這時(shí)信號(hào)量就變?yōu)榱?；

寄存器只有一套，被所有執(zhí)行流共享，但是寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，屬于每一個(gè)執(zhí)行流，屬于該執(zhí)行流的上下文數(shù)據(jù)；
這樣設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)量是不安全的；
因此，申請(qǐng)和釋放信號(hào)量這兩個(gè)操作，必須是原子的；
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-631405.html

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