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。
1. ipcs -m; // 进行共享内存的查看 2. 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。
