[Linux打怪升级之路]-system V共享内存

简介: [Linux打怪升级之路]-system V共享内存

一、共享内存的基本原理

1、什么是共享内存

共享内存是一种进程间通信机制,它允许两个或多个进程共享同一块物理内存空间,从而实现数据共享。在共享内存中,进程可以通过读写共享内存的方式来相互通信,而不必进行复杂的管道、消息队列等进程间通信操作。

那我们知道了共享内存,其实就是OS操作系统管理的一块共享物理内存,那共享内存是怎么样实现进程间通信的呢?

下面我们看图来理解

首先我们让操作系统在物理内存中,创建一块共享内存。然后在将创建的内存通过页表映射到进程地址空间,这样 A和B进程就通过共享内存建立起来联系,A进程如果想和B进程通信,只要让A进程往物理内存中写数据,在让B进程读数据就可以了。最后我们不在想让AB进程进行通信,我们只要去关联就可以了,AB进程的关联无非是共享的物理内存,所以我们只要取消二者的映射关系,在释放内存即可。

那这种方式和我们前面将的管道将有什么优缺点吗?

客官别走,且听我细细道来。

2、共享内存和管道的对比

共享内存和管道是两种不同的进程间通信机制,它们各有优势和适用场景。下面是它们的对比:

  1. 数据传输方式:
  • 共享内存:进程直接访问同一块物理内存,数据在内存中共享。
  • 管道:通过缓冲区进行数据传输,数据在缓冲区中依次流动。
  1. 通信效率:
  • 共享内存:由于直接访问内存,读写效率高,适用于大量数据交换的场景。
  • 管道:数据需要经过内核空间,相对较慢,适用于小量数据传输或者不频繁的通信。
  1. 数据同步和通信方式:
  • 共享内存:需要考虑并发控制和同步问题,通信方式更为灵活,可以使用类似锁、信号量等机制进行同步。
  • 管道:基于先进先出的原则,数据流动是单向的,不需要显式的同步操作。
  1. 可扩展性:
  • 共享内存:多个进程可以同时访问共享内存,适用于多个生产者和消费者的情况。
  • 管道:一般情况下,只支持一个生产者和一个消费者,不适用于多个进程之间的数据交换。

综上所述,共享内存适用于大量数据交换、需要高效率和灵活同步的场景,而管道适用于小量数据传输或者不频繁的通信,并且只涉及一个生产者和一个消费者

二、共享内存的系统接口

1、shmget函数(创建共享内存)

功能:用来创建共享内存

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

参数

         key:这个共享内存段名字

          size:共享内存大小

          shmflg:由九个权限标志构成,它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样

返回值成功返回一个非负整数,即该共享内存段的标识码(shmid);失败返回-1

key是什么

key是共享内存段的名字,我们要注意他是多少我们不关系,我们关心的是他的作用是能够进行唯一的标识。

虽然我们不关系他是多少,但是我们要传什么key给shmegt,key_t 是一个什么类型。

这里我们先看一个获取k的函数ftok()

。那key_t是个什么类型?

key_t是一个在Unix/Linux系统中用于表示IPC(进程间通信)键的类型。它被定义为一个整数类型(通常是int,用于唯一标识共享内存、消息队列和信号量等进程间通信机制。

举例子获取k:

#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0x66
 
key_t getKey()
{
    key_t k = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
    if(k < 0)
    {
        std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;
        exit(1);
    }
 
    return k;
}

其中的ftok() 函数使用由给定路径名命名的文档的标识(必须引用现有的、可访问的文档)和最不重要的 8 位proj_id(必须为非零)生成一个key_t类型的 System V IPC 密钥

  shmflg是什么

  shmflg是标志位,用于指定操作共享内存的方式这里我们举例二种最常见的标志位:

IPC_CREAT:如果共享内存不存在就创建,如果存在就获取他。

IPC_EXCL:无法单独使用,IPC_CREAT|IPC_EXCL如果不存在创建共享内存,如果存在就出错返回。

shmget的用法:

#define MAX_SIZE 4096
int getShmHelper(key_t k, int flags)
{
    int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flags);
 
    if(shmid < 0)
    {
        std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;
        exit(2);
    }
    return shmid;
}

2、shmat函数(关联)

功能:将共享内存段连接到进程地址空间

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

参数: shmid: 共享内存标识 shmaddr:指定连接的地址 shmflg:它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY

返回值:成功返回一个指针,指向共享内存第一个节;失败返回-1

这里我们要注意的是返回指针可以认为是共享内存的起始地址

shmflg:

  1. SHM_RND:将 size 参数舍入到系统页面大小的倍数。这样做可以保证共享内存段的大小是系统页面大小的整数倍,以提高性能。
  2. SHM_RDONLY:以只读方式打开共享内存段。这意味着进程只能读取共享内存中的数据,不能进行写操作。这个标志通常用于让多个进程共享只读数据的情况

用法:

//返回指是共享内存的开始地址
void* attachShm(int shmid)
{
    void* start = shmat(shmid,nullptr,0);
    if((long long)start == -1L)
    {
        std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) <<std::endl;
        exit(3);
    }
    return start;
}

3、shmdt函数(去关联)

功能:将共享内存段与当前进程脱离

原型: int shmdt(const void *shmaddr);

参数 :shmaddr: 由shmat所返回的指针

返回值:成功返回0;失败返回-1 注意:将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

用法:

void detachShm(void *start)
{
    if(shmdt(start) == -1)
    {
        std::cerr <<"shmdt: "<< errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;
    }
}

4、shmctl函数(控制)

功能:用于控制共享内存

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

参数:shmid:由shmget返回的共享内存标识码 cmd:将要采取的动作(有三个可取值) buf:指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构

返回值:成功返回0;失败返回-1

这里我们重点关注:参数cmd

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,把共享内存的当前值设置为shmid_ds数据结构中给出的值

IPC_RMID:删除共享内存

 struct shmid_ds *buf参数保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构,里面存放这共享内存的共享参数

三、用共享内存进行通信

下面我们将用共享内存实现server和client的通信

1、comm.hpp

我们定义一个comm.hpp的头文件定义server和client共同使用的函数:

#ifndef _COMM_HPP
#define _COMM_HPP
 
#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<cstdio>
#include<cstdlib>
 
 
#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0x66
 
#define MAX_SIZE 4096
 
//获取密钥k
key_t getKey()
{
    key_t k = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
    if(k < 0)
    {
        std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;
        exit(1);
    }
 
    return k;
}
 
//调用shmget创建共享内存
int getShmHelper(key_t k, int flags)
{
    int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flags);
 
    if(shmid < 0)
    {
        std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;
        exit(2);
    }
    return shmid;
}
 
//获取shmid标识码
int getShm(key_t k)
{
    return getShmHelper(k,IPC_CREAT);
}
 
//调用getShmHelper
int createShm(key_t K)
{
    return getShmHelper(K,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
}
 
//返回指是共享内存的开始地址
void* attachShm(int shmid)
{
    void* start = shmat(shmid,nullptr,0);
    if((long long)start == -1L)
    {
        std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) <<std::endl;
        exit(3);
    }
    return start;
}
 
//进行去关联
void detachShm(void *start)
{
    if(shmdt(start) == -1)
    {
        std::cerr <<"shmdt: "<< errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;
    }
}
 
//删除共享内存
void delShm(int shmid)
{
    if(shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr) == -1)
    {
         std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) <<std::endl;
    }
}
 
#endif

2、server.cpp

这里我们让server进程,打印k和shmid值给我们看一下,并进行创建共享内存,并且进行和client进行通信

#include"comm.hpp"
#include <unistd.h>
 
int main()
{
     key_t k = getKey();
    //看看k
    printf("key: 0x%x\n",k);
 
    //创建共享内存
    int shmid = createShm(k);
    printf("shmid: %d\n",shmid);
 
    //关联共享内存
    char *start = (char*)attachShm(shmid);
    printf("attach success, address start: %p\n", start);
 
    const char* message = "hello server,我是clinet正在和你通信";
    pid_t id = getpid();
    int cnt = 1;
    while(true)
    {
        sleep(5);
        snprintf(start,MAX_SIZE,"%s[pid:%d][信息标号:%d]",message,id,cnt);
 
    }
 
    detachShm(start);
 
    return 0;
}

3、client.cpp

这里我们让client和server进行通信,server负责接受就可以了

#include"comm.hpp"
#include <unistd.h>
 
int main()
{
    key_t k = getKey(); 
    printf("key: 0x%x\n", k);
    int shmid = getShm(k);
    printf("shmid: %d\n", shmid);
 
    //关联共享内存
    char *start = (char*)attachShm(shmid);
    printf("attach success, address start: %p\n", start);
 
    const char* message = "hello server,我是clinet正在和你通信";
    pid_t id = getpid();
    int cnt = 1;
    while(true)
    {
        sleep(5);
        snprintf(start,MAX_SIZE,"%s[pid:%d][信息标号:%d]",message,id,cnt);
 
    }
    //去关联
    detachShm(start);
 
    return 0;
}

4、现象

运行shm_server

运行shm_client

但是当我们第二次在运行./shm_server时候却不行了

这是为什么呢?

我们通过ipcs -m命令查看一下:

ipcs -m

ipcs -m 是一个Unix/Linux系统中的命令,用于列出当前系统中的共享内存段信息。它可以显示已经创建的共享内存段的详细信息,包括标识符、权限、大小、进程ID等。

  • key:共享内存段的键值。
  • shmid:共享内存段的标识符。
  • owner:创建该共享内存段的用户ID。
  • perms:共享内存段的权限。
  • bytes:共享内存段的大小(字节数)。
  • nattch:连接到该共享内存段的进程数量。
  • status 字段表示共享内存段的状态

其中

status 值及其含义如下:

  • 0:表示共享内存段当前未被使用或已被释放。
  • dest:表示共享内存段标记为准备删除状态。这意味着共享内存段即将被销毁,但仍然有进程连接到它,只有当所有连接到该共享内存段的进程都脱离连接时,它才会被完全删除。
  • out:表示共享内存段处于被卸载状态。这意味着该共享内存段已经被脱离连接,但仍然存在于系统中。可以通过手动操作或进程退出来释放该共享内存段。
  • err:表示共享内存段状态异常,可能由于系统错误或其他问题导致无法正常访问和管理。

 

这说明了共享内存生命周期是随操作系统的,不是随进程。用就是说如果我们没有主动调用shmcl函数去控制删除共享内存空间,那么我们后面就要自去删除一下就可以在次运行了。

ipcrm -m shmid

 


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