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Linux--进程间通信（system V共享内存）

news 来源：原创 2024/9/29 7:27:18

1.原理部分

2.系统调用接口

参数说明

返回值

1. 函数原型

2. 参数说明

3. 返回值

4. 原理

5. 注意事项

3.使用一下shmget（一段代码）

4.一个案例（一段代码)

1.简单封装一下

2.使用共享内存

2.1挂接（shmat）和取消挂接（shmdt）

2.2重新封装

2.3使用共享内存进行通信

5.共享内存的优劣

优点：

缺点：

1.原理部分

以shmget系统调用为例：

创建共享内存区域：
使用shmget系统调用来请求创建一块共享内存区域。这个函数会分配一块指定大小的内存，并返回一个标识符（shmid），用于后续对这块共享内存的引用。
在创建过程中，System V共享内存会在内核中创建一个特殊的数据结构（如shmid_kernel）来描述这块共享内存，并在特殊文件系统shm中创建一个与该共享内存关联的文件。
映射共享内存到进程地址空间：
通过shmat系统调用，进程可以将之前创建的共享内存区域映射到自己的虚拟地址空间中。这样，进程就可以通过指针直接访问这块共享内存，而无需通过内核进行数据的拷贝。
shmat调用会返回一个指向共享内存区域的指针，进程可以使用这个指针来读写共享内存中的数据。
进程间通信：
当多个进程都映射了同一块共享内存到各自的地址空间后，它们就可以通过读写这块共享内存来进行通信了。
进程A可以将数据写入共享内存，然后进程B可以从共享内存中读取这些数据，从而实现进程间的数据交换。
解除映射和删除共享内存：
当进程不再需要访问共享内存时，可以使用shmdt系统调用来解除映射，即将共享内存从进程的地址空间中移除。
当所有进程都解除了对共享内存的映射，并且确定不再需要这块共享内存时，可以使用shmctl系统调用来删除它，释放系统资源。

2.系统调用接口

shmget

功能：创建或获取共享内存。
参数：
key_t key：一个键值，用于唯一标识一个共享内存段。你可以使用IPC_PRIVATE常量创建一个私有共享内存段，或使用ftok()函数根据文件路径生成一个唯一的键值。
size_t size：共享内存的大小，以字节为单位。
int shmflg：标志位，用于控制创建和获取共享内存的行为。
IPC_CREAT：如果指定的共享内存不存在，则创建它；如果已存在，则返回其标识符。
IPC_EXCL：与IPC_CREAT一起使用时，如果共享内存已存在，则调用失败（返回-1）。
返回值：成功时返回共享内存的标识符（一个非负整数），失败时返回-1。

ftok函数是用于生成一个唯一的键值（key）的函数，通常用于创建共享内存、消息队列等进程间通信的标识符。它的原型是：

参数说明：

const char *pathname：一个文件路径名字符串，它应该指向一个已存在的文件。
int proj_id：一个非负整数，用于与pathname一起生成唯一的键值。

ftok函数会返回一个唯一的键值，如果发生错误则返回-1。这个键值可以用于后续的shmget等系统调用中，以标识和引用特定的共享内存段。

这意味着，我们给两个进程使用同样的pathname和同样的id，调用同样的ftok，就能形成同样的key了。通过同样的key，就是能看到同一份资源的必要条件。

共享内存是需要手动释放的，不随着进程的结束而结束

ipcs -m查共享内存，ipcrm -m删除共享内存（按照共享内存的shmid删除）

当然你也可以使用函数shmctl

参数说明

shmid：共享内存标识符，即要控制的共享内存段的标识符，通常由 shmget 函数返回。
cmd：控制命令，用于指定要执行的操作。常用的命令包括：
IPC_RMID：删除共享内存段。
IPC_SET：设置共享内存段的权限和所有者。
IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息。
buf：指向 struct shmid_ds 结构的指针，用于存储共享内存段的信息或设置其属性。可以为 NULL，表示不获取或设置共享内存段的信息。

返回值

如果函数执行成功，返回值为 0；如果出现错误，返回值为 -1，并设置 errno 来指示具体的错误原因。

key vs shmid

key：属于用户形成，内核使用的一个字段，用户不能使用key来进行shm的管理，是给内核用来区分shm唯一性的（用户给操作系统用的）

shmid：内核给用户返回的一个标识符，让用户对shm进行管理的id值（操作系统给用户的）

使用共享内存标识符而不是键进行后续操作也增加了安全性。因为即使其他进程知道了你的共享内存段的键，它们也无法直接访问或修改你的共享内存段，除非它们也通过shmget获取了对应的共享内存标识符，并且有足够的权限来操作这个共享内存段。

使用共享内存时要挂接，这时就要用到一个函数shmat。

hmat函数在Linux系统编程中用于将进程挂接到共享内存上，从而实现不同进程间的通信。以下是关于shmat函数的详细解释：

1. 函数原型

2. 参数说明

shmid：由shmget函数返回的共享内存标识符。
shmaddr：指定共享内存连接到当前进程时的地址。有三种情况：
如果shmaddr是NULL，系统将自动选择一个合适的地址。
如果shmaddr不是NULL并且没有指定SHM_RND，则此段连接到addr所指定的地址上。
如果shmaddr非0并且指定了SHM_RND，则此段连接到shmaddr - (shmaddr mod SHMLAB)所表示的地址上，其中SHMLAB是低边界地址的倍数，它总是2的乘方。
shmflg：是一组按位OR（或）在一起的标志，用来控制读写权限等。其两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY。如果指定了SHM_RDONLY，则以只读方式连接此段，否则以读写的方式连接此段。

3. 返回值

如果调用成功，返回一个指向共享内存的指针。
如果出错，返回-1。

4. 原理

shmat函数从进程空间中选择一个合适的或者用户指定的线性地址，并将其挂接到共享内存的物理页上。一旦挂接完成，用户就可以通过返回的指针来访问共享内存中的数据。

5. 注意事项

在使用shmdt函数断开线性地址到物理地址的映射关系后，不能再次使用shmat函数进行挂接，否则可能会导致segment fault。
共享内存是IPC（进程间通信）中效率最高的方式之一，因为它允许进程直接访问内存中的数据，而不需要像管道、消息队列那样进行内核与用户空间的数据拷贝。

shmdt 的基本使用：用于从共享内存段中分离一个进程

shmaddr：这是指向共享内存段的指针，该指针是之前通过 shmat 系统调用返回的。

返回值：

如果成功，返回 0。
如果失败，返回 -1 并设置 errno 以指示错误。

使用 shmdt 时，要注意以下几点：

只影响当前进程：调用 shmdt 只影响当前进程。其他已经附加到该共享内存段的进程仍然可以访问它。
数据持久性：即使调用了 shmdt，共享内存段中的数据仍然保持不变，直到所有进程都与其分离，或者调用者（通常是创建该段的进程）显式地删除了它（使用 shmctl 系统调用和 IPC_RMID 命令）。
多次附加和分离：一个进程可以多次使用 shmat 附加到同一个共享内存段，并可以多次使用 shmdt 分离。但每次附加都需要一个单独的分离操作。
关闭文件描述符：如果在附加共享内存时创建了一个文件描述符（例如，使用 O_CREAT | O_RDWR 标志调用 shmat），则在调用 shmdt 后，应使用 close 系统调用来关闭该文件描述符。但请注意，这不会影响其他进程对共享内存段的访问。
错误处理：如果 shmdt 调用失败，应检查 errno 以了解失败的原因。可能的错误包括 EINVAL（无效的 shmaddr 参数）和 EACCES（调用进程没有足够的权限来分离该共享内存段）。

3.使用一下shmget（一段代码）

创建方法：

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>//用当前路径形成key值
const std::string gpathname = "/home/ubuntu/work/shm";
//随意设置一个
const int gproj_id = 0x66;
//将key转为16进制
std::string ToHex(key_t k)
{char buffer[128];snprintf(buffer,zizeof(buffer),"0x%x",k);
}//形成相同的key值key_t GetCommKey(const std::string &gpathname,int gproj_id){key_t k = ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);if (k < 0){perror("ftok");}return k;}//创建shmint ShmGet(key_t key,int size){int shmid =shmget(key,size,IPC_CREAT | IPC_EXCL);if(shmid<0){perror("shmget");}return shmid;}

服务端创建：

#include "Shm.hpp"int main()
{   key_t key=GetCommKey(gpathname,gproj_id);std::cout<<"key:"<<ToHex(key)<<std::endl;int shmid=ShmGet(key,4096);std::cout<<"shmid:"<<shmid<<std::endl;return 0;
}

客户端：

#include "Shm.hpp"int main()
{key_t key=GetCommKey(gpathname,gproj_id);std::cout<<"key:"<<ToHex(key)<<std::endl;return 0;
}

运行结果：有相同的key，

4.一个案例（一段代码)

1.简单封装一下

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const int gCreater = 1;
const int gUser = 2;
//用当前路径形成key值
const std::string gpathname = "/home/ubuntu/work/shm";
//随意设置一个
const int gproj_id = 0x66;
//将key转为16进制
const int gShmSize = 4097;
class Shm
{
private:key_t GetCommKey(){key_t k = ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);if (k < 0){perror("ftok");}return k;}int GetShmHelper(key_t key, int size, int flag){int shmid = shmget(key, size, flag);if (shmid < 0){perror("shmget");}return shmid;}
public:Shm(const std::string &pathname, int proj_id, int who): _pathname(pathname), _proj_id(proj_id), _who(who){_key = GetCommKey();if (_who == gCreater)GetShmUseCreate();else if (_who == gUser)GetShmForUse();std::cout << "shmid: " << _shmid << std::endl;std::cout << "_key: " << ToHex(_key) << std::endl;}~Shm(){if (_who == gCreater){int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);}std::cout << "shm remove done..." << std::endl;}std::string ToHex(key_t key){char buffer[128];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", key);return buffer;}bool GetShmUseCreate(){if (_who == gCreater){_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT | IPC_EXCL);if (_shmid >= 0)return true;std::cout << "shm create done..." << std::endl;}return false;}bool GetShmForUse(){if (_who == gUser){_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT);if (_shmid >= 0)return true;std::cout << "shm get done..." << std::endl;}return false;}
private:
private:key_t _key;int _shmid;std::string _pathname;int _proj_id;//我是谁int _who;
};

服务段：

#include "Shm.hpp"int main()
{Shm shm(gpathname,gproj_id,gCreater);return 0;
}

用户段：

#include "Shm.hpp"int main()
{Shm shm(gpathname,gproj_id,gUser);return 0;
}

运行结果：

2.使用共享内存

2.1挂接（shmat）和取消挂接（shmdt）

现阶段，我们只是让进程A和B看到了共享内存，使用共享内存的前提是要，将共享内存挂接（使用函数shmat）进程的地址空间上。进程可以将之前创建的共享内存区域映射到自己的虚拟地址空间中。这样，进程就可以通过指针直接访问这块共享内存，而无需通过内核进行数据的拷贝。在使用这个函数的时候，是要访问共享内存的，共享内存也是文件，当然也有权限，因此我们创建共享内存的时候是要带权限的。

_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

当多个进程都映射了同一块共享内存到各自的地址空间后，进程A可以将数据写入共享内存，然后进程B可以从共享内存中读取这些数据，从而实现进程间的数据交换。

当你不再需要这块共享内存，或者你的进程即将结束时，你应该使用 shmdt 来从这块内存中分离。这样做可以确保系统能够正确地管理这块内存，防止资源泄露。

    void *AttachShm(){if (_addrshm != nullptr)DetachShm(_addrshm);void *shmaddr = shmat(_shmid, nullptr, 0);if (shmaddr == nullptr){perror("shmat");}std::cout << "who: " << RoleToString(_who) << " attach shm..." << std::endl;return shmaddr;}void DetachShm(void *shmaddr){if (shmaddr == nullptr)return;shmdt(shmaddr);std::cout << "who: " << RoleToString(_who) << " detach shm..." << std::endl;}

2.2重新封装

这里我们新增了一个成员变量，addshm，用于记录共享内存的地址。

在向共享内存中写东西之前，我们先做清空，这里我们多加一个操作函数。

    void Zero(){if(_addrshm){memset(_addrshm, 0, gShmSize);}}

重新封装后：


#include <iostream>
#include <string>
#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const int gCreater = 1;
const int gUser = 2;
const std::string gpathname = "/home/whb/code/111/code/lesson22/4.shm";
const int gproj_id = 0x66;
const int gShmSize = 4097; // 4096*nclass Shm
{
private:key_t GetCommKey(){key_t k = ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);if (k < 0){perror("ftok");}return k;}int GetShmHelper(key_t key, int size, int flag){int shmid = shmget(key, size, flag);if (shmid < 0){perror("shmget");}return shmid;}std::string RoleToString(int who){if (who == gCreater)return "Creater";else if (who == gUser)return "gUser";elsereturn "None";}void *AttachShm(){if (_addrshm != nullptr)DetachShm(_addrshm);void *shmaddr = shmat(_shmid, nullptr, 0);if (shmaddr == nullptr){perror("shmat");}std::cout << "who: " << RoleToString(_who) << " attach shm..." << std::endl;return shmaddr;}void DetachShm(void *shmaddr){if (shmaddr == nullptr)return;shmdt(shmaddr);std::cout << "who: " << RoleToString(_who) << " detach shm..." << std::endl;}public:Shm(const std::string &pathname, int proj_id, int who): _pathname(pathname), _proj_id(proj_id), _who(who), _addrshm(nullptr){_key = GetCommKey();if (_who == gCreater)GetShmUseCreate();else if (_who == gUser)GetShmForUse();_addrshm = AttachShm();std::cout << "shmid: " << _shmid << std::endl;std::cout << "_key: " << ToHex(_key) << std::endl;}~Shm(){if (_who == gCreater){int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);}std::cout << "shm remove done..." << std::endl;}std::string ToHex(key_t key){char buffer[128];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", key);return buffer;}bool GetShmUseCreate(){if (_who == gCreater){_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (_shmid >= 0)return true;std::cout << "shm create done..." << std::endl;}return false;}bool GetShmForUse(){if (_who == gUser){_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT | 0666);if (_shmid >= 0)return true;std::cout << "shm get done..." << std::endl;}return false;}void Zero(){if(_addrshm){memset(_addrshm, 0, gShmSize);}}void *Addr(){return _addrshm;}private:key_t _key;int _shmid;std::string _pathname;int _proj_id;int _who;void *_addrshm;
};

2.3使用共享内存进行通信

server作为读端

int main()
{//读端Shm shm(gpathname,gproj_id,gCreater);char *shmaddr =(char*)shm.Addr();//读内容while(true){std::cout<<"shm memory content:"<<shmaddr<<std::endl;sleep(1);}return 0;
}

client作为写端

int main()
{//写端Shm shm(gpathname,gproj_id,gUser);shm.Zero();char *shmaddr = (char*)shm.Addr();//写内容char ch='A';while(ch<='Z'){shmaddr[ch-'A'] =ch;ch++;sleep(2);}return 0;
}

运行结果：

5.共享内存的优劣

以下是对其优缺点的详细分析：

优点：

高效性：
共享内存是IPC通信中传输速度最快的通信方式。因为数据不需要在客户机和服务器之间复制，数据直接写到内存，避免了多次数据拷贝，从而大大提高了通信效率。
进程对共享内存的访问就如同访问自己的内存空间一样，不需要进行额外的系统调用或内核操作，进一步提升了效率。
灵活性：
允许多个进程共享数据，提供了一种灵活的通信方式。
进程间可以通过共享的内存区域进行双向通信，满足了多种通信需求。
支持大量数据传输：
适用于需要快速传递大量数据的场景，特别是在大数据处理、实时通信等领域表现突出。

缺点：

同步问题：
由于多个进程可以同时访问共享内存，需要额外的同步机制来避免数据竞争和一致性问题。内核并不提供任何对共享内存访问的同步机制，因此通常需要使用信号量等其他IPC机制进行读写同步与互斥。（写端没写，读端不会阻塞等待，依旧进行读取）
安全性：
需要额外的安全机制来保护数据，防止其他进程非法访问。若未采取适当的安全措施，可能导致数据泄露或被篡改。
编程复杂性：
使用共享内存进行通信需要处理同步和数据一致性等复杂问题，编程复杂度较高。需要开发者具备深厚的操作系统和并发编程知识。
依赖操作系统支持：
共享内存的使用依赖于操作系统的支持。不同的操作系统或版本可能对共享内存的实现和管理方式存在差异，这增加了跨平台开发的难度。