[Linux打怪升级之路]-system V共享内存-阿里云开发者社区

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：

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。

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。

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。

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：

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。

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

[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

2、共享内存和管道的对比

二、共享内存的系统接口

1、shmget函数(创建共享内存)

2、shmat函数(关联)

3、shmdt函数（去关联）

4、shmctl函数(控制)

三、用共享内存进行通信

1、comm.hpp

2、server.cpp

3、client.cpp

4、现象

热门文章

最新文章

相关课程

相关电子书

相关实验场景

推荐镜像

热门

活动广场

任务中心

开发者评测

高校计划

乘风者计划

训练营

阿里云MVP

话题

直播

下载

镜像站

技术资料

插件

[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

2、共享内存和管道的对比

二、共享内存的系统接口

1、shmget函数(创建共享内存)

2、shmat函数(关联)

3、shmdt函数（去关联）

4、shmctl函数(控制)

三、用共享内存进行通信

1、comm.hpp

2、server.cpp

3、client.cpp

4、现象

热门文章

最新文章

相关课程

相关电子书

相关实验场景

推荐镜像