Linux 进程间通信 [共享内存
????前言
共享内存出自 System V 标准，是众多 IPC 解决方案中最快的一种，使用共享内存进行通信时，不需要借助函数进入内核传递数据，而是直接对同一块空间进行数据访问，至于共享内存是如何使用的、通信原理是怎么实现的、以及共享内存+命名管道的组合通信程序该如何实现，都将在本文中解答
天下武功，唯快不破
????️正文
1、什么是共享内存？
共享内存 全称 System V 共享内存，是一种进程间通信解决方案，并且是所有解决方案中最快的一个，在通信速度上可以做到一骑绝尘
这是 System V 标准中一个比较成功的通信方式，特点就是非常快，除此之外，System V 标准中还有另外两种通信方式：
- 消息队列
- 信号量
这两种通信方式现在已经比较少见了，因为 存在更好的、更实用的通信方式（比如 POSIX 中提供的通信方式）
话不多说，先来看看 System V 共享内存的工作原理：在物理内存中开辟一块公共区域，让两个不同的进程的虚拟地址同时对此空间建立映射关系，此时两个独立的进程能看到同一块空间，可以直接对此空间进行【写入或读取】，这块公共区域就是 共享内存
显然，共享内存的目的也是 让不同的进程看到同一份资源
关于共享区：共享区作为虚拟地址空间中一块缓冲区域，既可作为堆栈生长扩展的区域，也可用来存储各种进程间的公共资源，比如这里的共享内存，以及之前学习的动态库，相关信息都是存储在共享区中
注意： 共享内存块的创建、进程间建立映射都是由 OS 实际执行的
2、共享内存的相关知识
在正式使用共享内存通信之前，需要先学习一下 共享内存的相关知识，因为这里的共享内存出自 System V 标准，所以 System V 中的消息队列、信号量绝大部分接口的风格也与之差不多
2.1、共享内存的数据结构
共享内存不止用于两个进程间通信，所以共享内存必须确保能持续存在，这也就意味着共享内存的生命周期不随进程，而是随操作系统，一旦共享内存被创建，除非被删除，否则将会一直存在，因此 操作系统需要对共享内存的状态加以描述
共享内存也不止存在一份，当出现多块共享内存时，操作系统不可能一一比对进行使用，秉持着高效的原则，操作系统会把已经创建的共享内存组织起来，更好的进行管理
所以共享内存需要有自己的数据结构，经过操作系统 先描述，再组织 后，构成了下面这个数据结构
注：shm 表示共享内存
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 */ };
其中 struct ipc_perm 中存储了 共享内存中的基本信息，具体包含内容如下：
struct ipc_perm { __kernel_key_t key; __kernel_uid_t uid; __kernel_gid_t gid; __kernel_uid_t cuid; __kernel_gid_t cgid; __kernel_mode_t mode; unsigned short seq; };
共享内存虽然属于文件系统，但它的结构是经过特殊设计的，与文件系统中的 inode 那一套结构逻辑不一样
2.2、创建 shmget
创建共享内存时，需要借助 shmget 这个函数
#include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
关于 shmget 函数
| 组成部分 | 含义 |
返回值 int
|
创建成功返回共享内存的 shmid，失败返回 -1 |
参数1 key_t key
|
创建共享内存时的唯一 key 值，通过函数计算获取 |
参数2 size_t size
|
创建共享内存的大小，一般为 4096 |
参数3 int shmflg
|
位图，可以设置共享内存的创建方式及创建权限 |
因为共享内存拥有自己的数据结构，所以 返回值 int 实际就是 shmid，类似于文件系统中的 fd，用来对不同的共享内存块进行操作
参数2为创建共享内存的大小，单位是字节，一般设为 4096 字节（4kb），与一个 PAGE 页大小相同，有利于提高 IO 效率
参数3是位图结构，类似于 open 函数中的参数3（文件打开方式），常用的选项有以下几个：
-
IPC_CREAT创建共享内存，如果存在，则使用已经存在的 -
IPC_EXCL避免使用已存在的共享内存，不能单独使用，需要配合IPC_CREAT使用，作用是当创建共享内存时，如果共享内存已经存在，则创建失败 -
权限因为共享内存也是文件，所以权限可设为文件的起始权限0666
而参数1比较特殊，key_t 实际就是对 int 进行了封装，表示一个数字，用来标识不同的共享内存块，可以理解为 inode，因为是标识值，所以必须确保 唯一性，需要使用函数 ftok 根据不同的 项目路径 + 项目编号 + 特殊的算法，生成一个碰撞率低的标识值，供操作系统对共享内存进行区分和调用
2.2.1、关于 key 的获取
使用函数 ftok 生成 key
#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
关于 ftok 函数
| 组成部分 | 含义 |
返回值 key_t
|
返回生成的标识值，等价于 int 类型 |
参数1 const char *pathname
|
项目路径，可使用 绝对 或 相对 路径 |
参数2 int proj_id
|
项目编号，可以根据实际情况编写 |
注意： 只有先让操作系统根据同一个 key 创建/打开 同一个共享内存，不同的进程才能看到同一份资源
下面是创建 共享内存 的代码
common.h
#include <iostream> #include <cerrno> #include <cstring> #include <unistd.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> using namespace std; #define PATHNAME "." // 项目名 #define PROJID 0x29C // 项目编号 const int gsize = 4096; const mode_t mode = 0666; //将十进制数转为十六进制数 string toHEX(int x) { char buffer[64]; snprintf(buffer, sizeof buffer, "0x%x", x); return buffer; } // 获取key key_t getKey() { key_t key = ftok(PATHNAME, PROJID); if (key == -1) { // 失败，终止进程 cerr << "ftok fail! " << "errno: " << errno << " | " << strerror(errno) << endl; exit(1); } return key; } // 共享内存助手 int shmHelper(key_t key, size_t size, int flags) { int shmid = shmget(key, size, flags); if (shmid == -1) { // 失败，终止进程 cerr << "shmget fail! " << "errno: " << errno << " | " << strerror(errno) << endl; exit(2); } return shmid; } // 创建共享内存 int createShm(key_t key, size_t size) { return shmHelper(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | mode); } // 获取共享内存 int getShm(key_t key, size_t size) { return shmHelper(key, size, IPC_CREAT); }
server.cc
#include <iostream> #include "common.h" using namespace std; int main() { // 服务端创建共享内存 key_t key = getKey(); int shmid = createShm(key, gsize); cout << "server key: " << toHEX(key) << endl; cout << "server shmid: " << shmid << endl; return 0; }
client.cc
#include <iostream> #include "common.h" using namespace std; int main() { // 客户端打开共享内存 key_t key = getKey(); int shmid = getShm(key, gsize); cout << "client key: " << toHEX(key) << endl; cout << "client shmid: " << shmid << endl; return 0; }
运行结果如下：
通过 shmget 和 ftok 函数获得唯一的 key 和 shmid
创建出来的共享内存可以通过 ipcs -m 查看
ipcs -m
共享内存 301465 就是通过上述代码生成的
注意：因为共享内存每次都是随机生成的，所以每次生成的 key 和 shmid 都不一样
2.3、释放共享内存
当我们再次运行程序时，会出现下面这种情况：
服务端运行失败，原因是 shmget 创建共享内存失败，这是因为服务端创建共享内存时，传递的参数为 IPC_CREAT | IPC_EXCL，其中 IPC_EXCL 注定了当共享内存存在时，创建失败
而客户端只是单纯的获取共享内存，同时也只传递了 IPC_CREAT 参数，所以运行才会成功
综上所述，服务端运行失败的根本原因是 待创建的共享内存已存在，如果想要成功运行，需要先将原共享内存释放
共享内存的释放方式主要有以下两种：
2.3.1、通过指令释放
可以直接在命令行中通过指令，根据 shmid 释放指定共享内存
ipcrm -m shmi