【Linux】System V 共享内存

标签：IPC int System key Linux shmid 共享内存 shm

一、共享内存

1.1 共享内存的原理：

       两个进程，操作系统在内存空间中创建一个共享内存。在之前学习库的时候，有一个共享库的概念。我们可以按照其概念来了解共享内存的概念：将共享内存映射到页表中，和进程的地址空间建立联系。我们可以将共享内存的虚拟地址交给用户。两个进程之间就可以通过虚拟地址找到同一个共享内存进行通信。

1.2 理解：

• 上面说的操作，只能是操作系统来做
• 操作系统必须提供上面步骤的系统调用，供系统A、B进行调用
• 共享内存在系统中有多份，供不同个数，不同对的操作系统同时进行通信
• 操作系统要对共享内存进行管理，先描述再组织
• 共享内存并不是简单的一段空间，也要有描述并管理共享内存的数据结构和匹配的算法
• 共享内存 = 共享空间（数据） + 共享内存的属性

二、共享内存的数据结构

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
    int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
    __kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
    __kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
    __kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
    __kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
    __kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
    unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
    unsigned short shm_unused; /* compatibility */
    void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
    void *shm_unused3; /* unused */
};

三、共享内存的使用

3.1 一些有关函数

3.1.1 shmget函数

函数的原型：

函数的参数：

• key：这个共享内存端的名字
• size：共享内存的大小
• shmfig：由九个权限表标志构成，用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的，利用位图进行传参。

在这里的标识码有两个：IPC_CREAT和IPC_EXCL。

• IPC_CREAT：如果内核中不存在键值和key相同的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存，则返回该共享内存的标识码（可以获得一个存在的共享内存）
• IPC_EXCL：单独使用没有意义，只有和IPC_CREAT一起使用才有意义
• IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果内核中不存在键值和key相同的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存，则报错（如果我成功返回，这个shm则是一个新的共享内存）

函数的返回值：

       成功则返回一个非负整数，即给共享内存段的标识码；失败则返回-1

3.1.2 ftok函数 

ftok函数的原型：

函数的功能：

        系统建立IPC通讯（如消息队列、共享内存等）  必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到。
函数的参数：

• pathname：必须是一个已经存在且程序可范围的文件。
• proj_id：虽然定义为一个整数，其实实际只有8个bit位有效，即如果该参数大于255，则只有后8bit有效。 

函数的返回值：

       当函数执行成功，则会返回key_t键值，否则返回-1。在一般的UNIX中，通常是将文件的索引节点取出，然后在前面加上子序号就得到key_t的值。

3.1.3 stmctl函数

shmctl函数的原型：

函数的功能：

       用来控制共享内存

函数的参数：

• shmid：有shmget函数返回的共享内存的标识码
• cmd：将要采取的动作（有三个可取值）

命令	说明
IPC_STAT	把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值
IPC_SET	在进程有足够权限的前提下，把共享内粗的当前关联值设为shmid_ds数据结构中给出的值
IPC_RMID	删除共享内存段

• buf：指向一个保存着恭喜昂内存的模式状态和访问权限的数据结构

函数的返回值：

       成功返回0，失败返回-1

3.1.4 shmat函数

函数的原型：

函数的功能：

       将创建好的共享内存连接到某个进程，并指定内存空间
函数的参数：

• shmid：shmget返回的共享内存标识
• shmaddr：把共享内存连接到当前进程去的时候准备放置它的那个地址

shmaddr：把共享内存连接到当前进程去的时候准备放置它的那个地址，如果设为NULL为让系统自动选择。

    shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址

    shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。

    shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：           shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)

• shmflg：其是一组按位OR(或)在一起的标志。它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY，shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存

函数的返回值：

       如果成功返回一个指针，指向共享内存的第一个字节；如果失败，则返回-1

3.1.5 shmdt函数

函数的原型：

函数的功能：

       将共享内存段与当前进程脱离
函数的参数

• shmaddr：由shmat返回的指针

函数的返回值：

       如果成功返回0；失败则返回-1 

3.2 获取key值 

       只要拥有相同的文件路径和一个数字，我们可以使用这个函数来使服务端和客户端形成的key是一样的，代码如下：

key_t GetCommonKey(const std::string& pathname, const int proj_id)
{
    key_t k = ftok(pathname.c_str(), proj_id);

    if(k < 0)
    {
        perror("GetCommonKey");
    }
    return k;
}

3.3 有关共享内存的一些指令 

       共享内存不会随着进程的结束而自动释放，如果不进行释放，该共享内存会一直存在，需要手动进行释放， 共享内存的生命周期随内核 | 文件的生命周期是随进程的。

ipcs -m; // 进行共享内存的查看
ipcrm -m key // 进行共享内存的删除

• 我们可以使用 ipcs -m指令查看共享内存
• 我们可以使用 ipcrm -m key指令删除共享内存

3.4 key VS shmid

       key属于用户形成，内核使用的字段，用户不能使用key来进行shm的管理，内核进行区分shm的唯一性的

       shmid属于内核给用户返回的一个标识符，用来进行用户及对共享内存进行管理的id值。

3.5下面来进行对shm的准备工作

3.5.1 shm的创建和销毁工作

3.5.1.1 使进程之间获取一个相同的key值

// 获取一个相同的key值，需要访问一个相同的文件路径和一个随便的数字
const std::string pathname = "/home/hrx/code/111/lesson3/shm";
const int proj_id = 0x66;

key_t GetKeyCommon()
{
    key_t k = ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);

    if (k < 0)
    {
        perror("GetCommonKey");
    }
    return k;
}

3.5.1.2 通过key值打开共享内存块

    int Shmget(int key, int size, int flag)  // 将key值的共享内存创建出来
    {
        int shmid = shmget(key, size, flag);
        if (shmid < 0)
        {
            perror("shmid");
        }
        return shmid;
    }

    std::string ToHex(int u)  // 将一个数字转换为十六进制的格式
    {
        char buff[128];
        snprintf(buff, sizeof buff, "0x%x", u);
        return buff;
    }

    Shm(const std::string &pathname, int proj_id, int who)  // 构造函数
        : _pathname(pathname), _proj_id(proj_id), _who(who)
    {
        _key = GetKeyCommon();
        if (who == Creater)
            GetShmCeaterUse();
        else
            GetShmCeaterUse();
    }

    bool GetShmCeaterUse()
    {
        if (_who == Creater)
        {
            _shmid = Shmget(_key, 1024, IPC_CREAT | IPC_EXCL);
            sleep(10);
            if (_shmid > 0)
                return true;
        }
        return false;
    }

    bool GetShmForUse()
    {
        if (_who == User)
        {
            _shmid = Shmget(_key, 1024, IPC_CREAT);
            if (_shmid > 0)
                return true;
        }
        return false;
    }

3.5.1.3 销毁共享内存

    ~Shm()
    {
        if (_who == Creater)
        {
            // 进行共享库的删除
            int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
        }
        std::cout << "Shm remove done..." << std::endl;
    }

3.5.2 进行shm的挂接和取消挂接

3.5.2.1 进行shm的挂接

    void* Attach()
    {
        void* attaddr = shmat(_shmid, nullptr, 0);
        if(attaddr == nullptr)
        {
            perror("attaddr");
        }
        std::cout << "name: " << GetName() << " attach shm..." << std::endl;
        return attaddr;
    }

3.5.2.2 进行shm的取消挂接

    void Dattach(const char* addr)
    {
        if(addr == nullptr) return;
        shmdt(addr);
        std::cout << "name: " << GetName() << "dis attach shm..." << std::endl;
    }

3.5.2.3 进行效果的演示

       刚开始的时候，我们会发现在共享内存的页面没有任何数字的变化，因为共享内存的全西安没有关闭，我们需要在创建共享内存的时候，为共享内存的权限设为可以进行操作。

// 修改共享内存的代码：
_shmid = Shmget(_key, 1024, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0x666);

        当我们开始实行代码后，会发现这个共享内存的挂接数量从0到1到2，最后，又逐渐减少。注意： 将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存，只是取消了当前进程与该共享内存之间的联系。

在服务器端和客户端一起进行挂接，下面是现象：

3.6 对shm的完成封装

#pragma once

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <cstdio>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <cstdio>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define Creater 1
#define User 2
const std::string pathname = "/home/hrx/code/111/lesson3/shm";
const int proj_id = 0x66;

class Shm
{
public:
    key_t GetKeyCommon()
    {
        key_t k = ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);

        if (k < 0)
        {
            perror("GetCommonKey");
        }
        return k;
    }

    int Shmget(int key, int size, int flag)
    {
        int shmid = shmget(key, size, flag);
        if (shmid < 0)
        {
            perror("shmid");
        }
        return shmid;
    }

public:

    int getkey()
    {
        return _key;
    }

    int getshmid()
    {
        return _shmid;
    }

    std::string GetName()
    {
        if(_who == Creater) return "Creater";
        else if(_who == User) return "User";
        else return "None";
    }

    std::string ToHex(int u)
    {
        char buff[128];
        snprintf(buff, sizeof buff, "0x%x", u);
        return buff;
    }

    Shm(const std::string &pathname, int proj_id, int who)
        : _pathname(pathname), _proj_id(proj_id), _who(who)
    {
        _key = GetKeyCommon();
        if (who == Creater)
            GetShmCeaterUse();
        else
            GetShmForUse();
        _addr = Attach(); // 直接进行挂接
    }

    bool GetShmCeaterUse()
    {
        if (_who == Creater)
        {
            _shmid = Shmget(_key, 1024, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
            std::cout << "key:" << _key << ' ' << "shmid:" << _shmid << std::endl;
            if (_shmid > 0)
                return true;
        }
        return false;
    }

    bool GetShmForUse()
    {
        if (_who == User)
        {
            _shmid = Shmget(_key, 1024, IPC_CREAT);
            std::cout << "key:" << _key << ' ' << "shmid:" << _shmid << std::endl;
            if (_shmid > 0)
                return true;
        }
        return false;
    }

    ~Shm()
    {
        if (_who == Creater)
        {
            // 进行共享库的删除
            int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
        }
        std::cout << "Shm remove done..." << std::endl;
    }

    void* Addr()
    {
        return _addr;
    }

    void Zero()
    {
        if(_addr)
            memset(_addr, 0, sizeof _addr);
    }

    void* Attach()
    {
        if(_addr != nullptr) Dattach((char*)_addr); 
        void* attaddr = shmat(_shmid, nullptr, 0);
        if(attaddr == nullptr)
        {
            perror("attaddr");
        }
        std::cout << "name: " << GetName() << " attach shm..." << std::endl;
        return attaddr;
    }

    void Dattach(const char* addr)
    {
        if(addr == nullptr) return;
        shmdt(addr);
        std::cout << "name: " << GetName() << "dis attach shm..." << std::endl;
    }

private:
    key_t _key;
    int _who;
    int _shmid;
    void* _addr;
    const std::string _pathname;
    const int _proj_id;
};

四、进行进程之间的通信

4.1 直接进行通信

在将服务端与客户端进行挂接成功后，我们要来进行通信，将共享内存看成数组来进行通信：

服务端：

    Shm shm(pathname, proj_id, Creater);
    char* shmaddr = (char*)shm.Addr();
    while (true)
    {
        std::cout << shmaddr << std::endl;
        sleep(1);
    }

客户端 

    Shm shm(pathname, proj_id, User);
    shm.Zero();
    char* shmaddr = (char*)shm.Addr();
    sleep(3);
    char ch = 'a';
    while (ch <= 'z')
    {
        shmaddr[ch - 'a'] = ch;
        ch++;
        sleep(2);
    }

4.2 共享内存的一些知识点 

       在进行共享内存的使用时，共享内存不提供任何保护机制，数据不一致问题。我在写一个字符串，但是还没有写完就被读取了一半，造成了数据不一致问题。我们在写共享内存没有使用任何系统调用，共享内存是进程间通信速度最快的，因为共享内存大大地减少了拷贝次数。 

                         

4.3 保护共享内存

       管道提供了保护措施，所以，我们可以建立一个管道，将数据放在管道中，当写完后，直接将数据发送给另一个进程，共享内存的容量大小：如果容量大小为4097，共享内存的大小可以i自己随意定制，但是建议共享内存的大小为4096的整数倍。，如果不是整数倍，操作系统会给你整数倍的容量。

    // 服务器端
    Shm shm(pathname, proj_id, Creater);
    char* shmaddr = (char*)shm.Addr();

    // 2.创建管道
    NamePipe fifo(comepath, Creater);

    fifo.openforread();

    while (true)
    {
        std::string tmp;
        fifo.ReadNamePipe(&tmp);
        std::cout << shmaddr << std::endl;
    }

    // 客户端
    NamePipe fifo(comepath, User);
    fifo.operforwrite();
    char ch = 'a';
    while (ch <= 'z')
    {
        std::string tmp = "once";
        fifo.WriteNamePipe(tmp);
        shmaddr[ch - 'a'] = ch;
        ch++;
        sleep(2);
    }

五、共享内存与管道的对比

       当共享内存创建好后就不再需要调用系统接口进行通信了，而管道创建好后仍需要read、write等系统接口进行通信。实际上，共享内存是所有进程间通信方式中最快的一种通信方式。

我们先来看看管道通信：

       从这张图可以看出，使用管道通信的方式，将一个文件从一个进程传输到另一个进程需要进行四次拷贝操作：

• 服务端将信息从输入文件复制到服务端的临时缓冲区中。
• 将服务端临时缓冲区的信息复制到管道中。
• 客户端将信息从管道复制到客户端的缓冲区中。
• 将客户端临时缓冲区的信息复制到输出文件中。

我们再来看看共享内存通信：

       从这张图可以看出，使用共享内存进行通信，将一个文件从一个进程传输到另一个进程只需要进行两次拷贝操作：

• 从输入文件到共享内存。
• 从共享内存到输出文件。

       所以共享内存是所有进程间通信方式中最快的一种通信方式，因为该通信方式需要进行的拷贝次数最少。

       但是共享内存也是有缺点的，我们知道管道是自带同步与互斥机制的，但是共享内存并没有提供任何的保护机制，包括同步与互斥。

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