【Linux取经路】进程通信——共享内存

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码农世界 2024-05-24 前端 72 次浏览 0个评论

文章目录

  • 一、直接原理
    • 1.1 共享内存的的申请
    • 1.2 共享内存的释放
    • 二、代码演示
      • 2.1 shmget
        • 2.1.1 详谈key——ftok
        • 2.2 创建共享内存样例代码
        • 2.3 获取共享内存——进一步封装
        • 2.4 共享内存挂接——shmat
        • 2.5 共享内存去关联——shmdt
        • 2.6 释放共享内存——shmctl
        • 2.7 开始通信
          • 2.7.1 processb 基础代码编写
          • 2.7.2 通信代码编写
          • 三、共享内存的特点
            • 3.1 共享内存 VS 管道
            • 四、拓展内容
              • 4.1 查看共享内存的属性
              • 4.2 借助管道实现共享内存的同步与互斥
              • 五、结语

                一、直接原理

                1.1 共享内存的的申请

                共享的原理和动态库的共享原理一致，共享内存的申请主要分为以下三步：

                • 操作系统在物理内存上申请一块空间。

                • 将申请到的空间，通过页表挂接到进程地址空间的共享区。

                • 返回起始虚拟地址，供程序中使用。

                  1.2 共享内存的释放

                  去关联，释放共享内存。申请、挂接、去关联、释放这些动作都是由操作系统来做的，进程不能自己去做，进程中可以通过 malloc 去申请空间，但是因为进程独立性的存在，一个进程自己 malloc 申请的空间，只属于当前进程，不能由多个进程共享。

                  系统中可能同时有多组进程 都需要通信，因此系统中可能存在多个共享内存，所以操作系统要把这多个共享内存管理起来。先描述，再组织，操作系统中一定有一个内核结构体是用来描述共享内存的。

                  二、代码演示

                  2.1 shmget

                  shmget 函数用来申请一块共享内存。

                  • key：一个数字，是几不重要，关键在于它必须在内核中具有唯一性，能够让不同的共享内存具有唯一性标识。
                  • size：创建共享内存的大小，单位是字节。一般建议是4096的整数倍，如果传的是4097，操作系统实际上申请的空间大小是 4096*2，虽然操作系统多申请了，但是多的部分用户不能使用，用了会被判定为越界。
                  • shmflg：标记位，常用选项有 IPC_CREAT ：如果申请的共享内存不存在，就创建，存在，就获取并返回。IPC_EXCL ：如果申请的共享内存存在，就出错返回。IPC_CREAT | IPC_EXCL ：如果申请的共享内存不存在，就创建，存在就出错返回。这俩选项一起使用保证了，如果我们申请成功了一个共享内存，这个共享内存一定是一个新的。IPC_EXCL 不单独使用。其次，共享内存的权限也通过这个标志位进行传递。
                  • 返回值：创建成功，返回共享内存标识符；创建失败，返回-1。

                    2.1.1 详谈key——ftok

                    无论是创建共享内存还是使用共享内存，都需要调用该函数。第一个进程可以通过 key 创建共享内存，第二个之后的进程，只需要拿着同一个 key 就可以和第一个进程看到同一个共享内存。key 在共享内存的描述对象中，第一次创建共享内存的时候，就必须有一个 key 了。使用 ftok 函数生成一个 key。

                    • pathname：路径名。
                    • proj_id：项目 ID。
                    • 返回值：生成成功 key 被返回；生成失败 -1 被返回（路径名如果不存在的话是有可能生成失败的）。

                      只要这两个参数一样，那么两个进程就可以得到同一个 key 值。

                      **key值为什么是通过用户传参来生成的，而不是操作系统直接生成的？**因为操作系统不知道哪两个进程需要通信，假设 A 进程和 B 进程进行通信，在 A 进程中操作系统随机生成了一个 key 给 A 进程，此时 B 进程也需要知道 key 值，但是操作系统是不知道 A 进程要和 B 进程进行通信，所以操作系统没办法将这个 key 值交给 B 进程，只有程序员（写代码的人）才知道 A、B 进程之间需要通信。其实 ftok 函数相当于是两个通信进程之间的一种约定，只要它们约定好同一个 pathname 和 proj_id，那么这两个进程就能得到同一个 key。

                      2.2 创建共享内存样例代码

                      #ifndef __COMM_HPP__
#define __COMM_HPP__
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "log.hpp"
#include 
#include 
using namespace std;
const int size = 4096;
const string path_name = "/home/wcy";
const int proj_id = 0x6666;
Log log;
key_t GetKey() // 获取 key
{
    key_t k = ftok(path_name.c_str(), proj_id);
    if(k < 0)
    {
        // 获取 key 失败
        log(Fatal, "ftok error: %s", strerror(errno));
        exit(1);
    }
    log(Info, "ftok sucess, key is: %d", k);
    return k;
}
int GetShareMem() // 创建共享内存
{
    key_t key = GetKey();
    int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT|IPC_EXCL);
    if(shmid < 0)
    {
        log(Fatal, "creat share memeory error: %s", strerror(errno));
        exit(2);
    }
    log(Info, "creat share memory success, shmid is: %d", shmid);
    return shmid;
}
#endif

                      key 和 shmid：

                      key 是在操作系统内部来唯一标识一块共享内存，是给操作系统来使用的；shmid 是给进程使用的，用来表示资源的唯一性。虽然共享内存属于文件系统，但是 shmid 和文件描述符的兼容性做的并不好，共享内存给自己单独设置了一个类似于文件描述符表的东西。

                      **共享内存的生命周期是随内核的，用户不主动关闭，共享内存会一致存在。**只有内核重启或者用户主动释放，共享内存才会被释放。

                      查看操作系统中所有的共享内存：ipcs -m

                      • perms：权限位
                      • nattch：和当前共享内存关联的进程个数。

                        命令行中删除共享内存：ipcrm -m shmid。指令是由用户输入的的，在用户层统一使用 shmid。

                        2.3 获取共享内存——进一步封装

                        int GetShareMemHelper(int flag)
{
    key_t key = GetKey();
    int shmid = shmget(key, size, flag);
    if(shmid < 0)
    {
        log(Fatal, "creat share memeory error: %s", strerror(errno));
        exit(2);
    }
    log(Info, "creat share memory success, shmid is: %d", shmid);
    return shmid;
}
// 创建共享内存
int CreatMem()
{
    return GetShareMemHelper(IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}
// 获取共享内存
int GetMem()
{
    return GetShareMemHelper(IPC_CREAT); // 这里也可以传0
}

                        2.4 共享内存挂接——shmat

                        shmat：将某个共享内存挂接到当前进程的地址空间中。

                        • shmid：共享内存的标识符。
                        • shmaddr：指向挂接在地址空间的什么位置，因为我们也不知道挂接在什么位置，所以一般设为 nullptr 即可。
                        • shmflg：设置当前进程对该共享内存的权限，一般设置成0，表示采用共享内存自身的权限。
                        • **返回值：**共享内存挂接在地址空间中的地址。 
                          // processa
#include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 创建共享内存
    int shmid = CreatMem();
    log(Debug, "creat sharemem done...");
    sleep(5);
    // 挂接共享内存
    char *sharmem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    log(Debug, "%d attch success", shmid);
    sleep(5);
    log(Debug, "processa quit...");
    return 0;
}

                          2.5 共享内存去关联——shmdt

                          shmdt：去掉某个共享内存与当前进程的关联。

                          • shmaddr：就是 shmat 函数返回的那个地址。 
                            // processa
#include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 创建共享内存
    int shmid = CreatMem();
    log(Debug, "creat sharemem done...");
    sleep(5);
    // 挂接共享内存
    char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    log(Debug, "%d attch done, to 0x%x", shmid, shamem);
    sleep(5);
    // 去关联
    shmdt(shamem);
    log(Debug, "%d deattch done", shmid);
    log(Debug, "processa quit...");
    return 0;
}

                            2.6 释放共享内存——shmctl

                            shmctl：用来释放一个共享内存。

                            • cmd：操作选项。IPC_STAT：将内核中共享内存的属性拷贝到 buf 里面。IPC_RMID：删除共享内存。
                            • struct shmid_ds *buf：语言层面用来描述一个共享内存的结构体，里面保存了共享内存的部分属性。
                            • **返回值：**如果操作是 IPC_RMID，那么删除成功返回0，失败返回-1。 
                              // processa
#include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 创建共享内存
    int shmid = CreatMem();
    log(Debug, "creat sharemem done...");
    sleep(5);
    // 挂接共享内存
    char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    log(Debug, "sharemem %d attch done, to 0x%x", shmid, shamem);
    sleep(5);
    // 去关联
    shmdt(shamem);
    log(Debug, "sharemem %d deattch done", shmid);
    sleep(5);
    // 释放共享内存
    int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    if(ret < 0)
        log(Debug, "sharemem delete error: %s", strerror(errno));
    else
        log(Debug, "sharemem delete success...");
    sleep(5);
    log(Debug, "processa quit...");
    return 0;
}

                              2.7 开始通信

                              2.7.1 processb 基础代码编写

                              #include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 获取共享内存
    int shmid = GetMem();
    log(Debug, "Get sharemem done...");
    sleep(5);
    // 挂接
    char *shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    log(Debug, "sharemem %d attch done, to 0x%x", shmid, shmaddr);
    sleep(5);
    // 去关联
    shmdt(shmaddr);
    log(Debug, "sharemem %d deattch done", shmid);
    return 0;
}

                              2.7.2 通信代码编写

                              processa：

                              #include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 创建共享内存
    int shmid = CreatMem();
  
    // 挂接共享内存
    char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    // ipc-cod 通信代码
    while(true)
    {
        cout << "client asy@ " << shamem << endl; // 直接访问共享内存
        sleep(1);
    }
    // 去关联
    shmdt(shamem);
    
    // 释放共享内存
    int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}

                              processb：

                              #include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 获取共享内存
    int shmid = GetMem();
    // 挂接
    char *shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    // ipc-code 通信代码
    while(true)
    {
        cout << "Please enter:";
        fgets(shmaddr, size, stdin);
    }
    // 去关联
    shmdt(shmaddr);
    return 0;
}

                              一旦有了共享内存，并且挂接到当前进程的地址空间上了，在程序中就把它当做该进程自己的内存空间来使用即可，无需再调用系统调用。一旦有人把数据写入到共享内存，其实我们立马就能看到，不需要经过系统调用，就能直接看到数据。可以把共享内存就当做用户自己 malloc 出来的一块空间。

                              三、共享内存的特点

                              • 共享内存没有同步与互斥之类的保护机制，即写端没有向共享内存中写入，读端可以正常读取。

                              • 共享内存是所有的进程间通信中，速度最快的。原因在于数据拷贝次数少。

                              • 共享内存中的数据，完全是由用户自己维护，操作系统不会帮我们做清空工作。

                                3.1 共享内存 VS 管道

                                管道通信中：数据要拷贝两次。主要原因在于，管道本质上是文件，我们不能通过键盘直接往文件里面进行写入，要想让键盘输入的内容写入的文件中，首先需要在程序中定义一个字符数组（或者 string 对象)，暂时存储键盘的输入，然后在将这个数组中的内容写入到文件，这就涉及一次拷贝（将数组中的内容，拷贝到文件缓冲区），其次另一端在进行读取的时候，所有的文件读取操作，都要求定义一段空间，将读取到的内容存储起来，这个过程又会涉及一次拷贝，总体算下来，完成一次管道通信，需要进行两次拷贝。

                                共享内存通信：程序中可以把共享内存当做自己的内存空间来使用，因此对于写端，可以直接从键盘读取数据存储到共享内存中，无需创建字符数组（或者 string 对象）来暂时存储输入的内容；对于读端，可以直接从共享内存中进行读取，然后打印，在没有特殊要求的情况可以不用将共享内存中的数据存储起来。

                                四、拓展内容

                                4.1 查看共享内存的属性

                                通过 shmctl 函数区获取共享内存的属性。struct shmid_ds 结构体就是用户层面去描述一个共享内存的结构体。

                                int main()
{
    // 创建共享内存
    int shmid = CreatMem();
    struct shmid_ds shmds; // 用来存储共享内存的属性
    // 挂接共享内存
    char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    // ipc-cod 通信代码
    while(true)
    {
        cout << "client asy@ " << shamem << endl; // 直接访问共享内存
        
        // 打印共享内存的属性
        shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmds);
        // cout << "__key: " << shmds.shm_perm.__key << endl;
        printf("0x%x\n", shmds.shm_perm.__key);
        cout << "shm_atime: " << shmds.shm_atime << endl;
        cout << "shm_cpid: " << shmds.shm_cpid << endl;
        cout << "shm_nattch: " << shmds.shm_nattch << endl;
        sleep(1);
    }
    // 去关联
    shmdt(shamem);
    // 释放共享内存
    int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}

                                4.2 借助管道实现共享内存的同步与互斥

                                processa：

                                #include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 创建共享内存
    int shmid = CreatMem();
    Init init; // 创建有名管道
    // 打开管道
    int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(FIFO_OPEN_ERR);
    }
    struct shmid_ds shmds;
    // 挂接共享内存
    char *shamem = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);
    // ipc-cod 通信代码
    while (true)
    {
        char ch;
        int n = read(fd, &ch, sizeof(ch));
        if (n == 0)
            break;
        else if (n > 0)
        {
            cout << "client asy@ " << shamem; //<< endl; // 直接访问共享内存
        }
        else
        {
            log(Fatal, "read error: %s\n", strerror(errno));
            exit(FIFO_READ_ERR);
        }
    }
    // 去关联
    shmdt(shamem);
    // 释放共享内存
    int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    // 关闭管道
    close(fd);
    return 0;
}

                                processb：

                                #include "comm.hpp"
#include 
int main()
{
    // 获取共享内存
    int shmid = GetMem();
    // 打开管道
    int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(FIFO_OPEN_ERR);
    }
    // 挂接
    char *shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    // ipc-code 通信代码
    while(true)
    {
        cout << "Please enter:";
        fgets(shmaddr, size, stdin);
        write(fd, "c", 1);
    }
    // 去关联
    shmdt(shmaddr);
    // 关闭管道
    close(fd);
    return 0;
}

                                在没有管道的情况下，processa 进程一直在不间断的读取共享内存中的数据，现在创建一个管道，在 processa 进程读取共享内存之前，想让它从管道中读取，只有读到了特定的信号，才能去共享内存中进行读取。processb 进程在向共享内存中写入数据之后，向管道中写入一个字符，以此为信号，通知 processa 进程，现在共享内存中有数据了，你可以去读取了。在 processb 进程没有向共享内存中写入数据的时候，此时管道为空，读端就会阻塞，也就是 processa 进程就会被阻塞住，以此来实现同步与互斥。

                                五、结语

                                今天的分享到这里就结束啦！如果觉得文章还不错的话，可以三连支持一下，春人的主页还有很多有趣的文章，欢迎小伙伴们前去点评，您的支持就是春人前进的动力！

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