进程间通信（二）/共享内存

⭐前言：在前面的博文中分析了什么的进程间通信和进程间通信的方式之一：管道（匿名管道和命名管道）。接下来分析第二种方式：共享内存。

要实现进程间通信，其前提是让不同进程之间看到同一份资源。所谓共享内存，那就是不同进程之间，可以看到内存中同一块资源，这就是共享内存的概念。

共享内存原理

用户通过操作系统提供的系统调用，让操作系统帮助用户去申请一块空间，跟C语言中malloc函数、C++的new的意思差不多。创建好后，将创建好的内存映射到进程地址空间中，然后返回这个地址的起始地址给用户。最后，当结束通信后，就会取消进程和内存的映射关系去掉，然后释放这段内存空间！

而这段内存，就称为共享内存！进程与内存关联的行为称为挂接。取消进程与内存的映射关系，称为去关联。释放这段内存，叫做释放共享内存。

理解共享内存的开辟

①用户申请开辟共享内存空间的系统接口，是专门为了进程间通信而设计出来的，可以让不同进程同时跟其建立关联。跟malloc，new等等的函数不一样，它们虽然也可以在物理内存上开辟空间，但是只能用于本身进程。

②共享内存是一种通信方式，意味着所有想通信的进程都可以使用它。

③既然共享内存是一种通信方式，因此在OS中，一定存在多个共享内存！

实例代码

共享内存函数

按照上图的步骤：第一步，创建共享内存。以下是创建共享内存的两个函数。

①shmget函数

功能：用来创建共享内存
原型：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

头文件：#include<sys/ipc.h>  #include<sys/shm.h>
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

其中重要的两个：

IPC_CREAT：如果不存在，创建之。如果存在，获取之。

IPC_EXCL：无法单独使用。需要与IPC_CREAT结合使用，

IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果不存在，创建之。如果存在，出错并返回。如果创建成功，那么一定是一个新的共享内存。

返回值：成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回 - 1

shmget函数中的参数key，它能够标定唯一性！因为需要保证一个进程去申请共享内存，另外的进程去获取这个共享内存，它们的共享内存是同一个共享内存！而获取key是通过ftok函数来获取的。

②ftok函数

功能：将一个路径明和一个项目标识符转化成一个IPC的key

原型：key_t ftok(const char* pathname , int proj_id);

头文件：#include<sys/ipc.h> #include<sys/types.h>

参数：

        pathname：传进来的字符串

        proj_id：项目标识符

返回值：成功返回key；失败返回-1

只要不同进程在调用ftok的时候，参数一模一样，获取相同的key，再去调用shmget函数，通过同一个key，就能访问同一个共享内存。

补充说明：

共享内存=物理内存块+共享内存的相关属性

上面谈到，OS中一定存在多个共享内存，而OS必须要对这些用户申请开辟的空间进行管理！即先描述再组织，因此，OS会对开辟的共享内存创建一个数据结构，一个共享内存一个数据结构，然后通过链表链接起来，统一管理。于是，在谈到申请开辟一块共享内存，就需要想到：共享内存 = 物理内存块 + 共享内存的相关属性！

key值被包含在了共享内存的属性中。

共享内存的相关属性被包含在共享内存的数据结构中，而其中的key值也包含在了里面。即key值是在shmget函数创建出来后被设置进入共享内存的属性当中，用来表示该共享内存，并表示该共享内存在内核中的唯一性！

shmid和key的关系区分

shmget函数返回值，假设命名为shmid。那么shmid与key的关系就如同在文件IO中的文件描述符fd和inode的关系一样，inode是一个文件一个inode，表示文件的唯一性，key是一个共享内存一个，表示的是共享内存的唯一性，它们都是底层访问目标的工具。但是上层是不用key或inode的，而是使用shmid和fd这样一个特定的整数来访问。一句话来说，一个是用户的，一个是系统的，两个互不干扰，这是它的好处。

查看共享内存指令

ipcs -m

ipc资源的特征

共享内存的生命周期是随操作系统的，不是随进程的，即使进程终止了，但没有去释放这段共享内存，那么它就会一直存在。

删除共享内存

ipcrm -m shmid

按照上图所示：以下是删除共享内存的函数。

③shmctl函数

功能：用于控制共享内存，即删除共享内存，设置共享内存属性等等
原型：int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

头文件：#include<sys/ipc.h> #include<sys/shm.h>
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）

动作：

①IPC_STAT：获取共享内存属性

②IPC_SET：设置共享内存属性

③IPC_RMID：删除共享内存
        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

按照上图所示，以下是将共享内存映射到进程地址空间的函数。

④shmat函数

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);

头文件：#include<sys/shm.h>   #include<sys/types.h>
参数：
        shmid: 共享内存标识,即想和哪个共享内存关联起来
        shmaddr:指定连接的地址。就是想把这个共享内存映射到哪个进程地址空间中，给出这个进程地址。
        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；失败返回-1

使用完后，不直接删除共享内存，而是先去关联。以下是去关联的函数。

⑤shmdt函数

功能：将共享内存段与当前进程脱离
原型：int shmdt(const void *shmaddr);

头文件：#include<sys/shm.h>   #include<sys/types.h>
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

示例代码代码如下：

代码思路：创建一段共享内存，创建两个没有亲属关系的进程，client进程负责写入，server进程负责读取。

头文件comm.hpp：

#ifndef _COMM_HPP_
#define _COMM_HPP_
#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0X66//设置共享内存大小：建议为4KB的整数倍
//因为系统分配共享内存是以4KB为单位的！
#define MAX_SIZE 4096//获取key
key_t getKey()
{//通过ftok函数获取keykey_t k = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);//获得同一个keyif(k < 0){std::cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(1);}return k;
}
//创建共享内存
int getShmHelper(key_t k,int flags)
{//通过shmget函数创建共享内存。//第一个参数是key，第二个参数是共享内存的大小。第三个参数是权限标志int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flags);//创建共享内存if(shmid<0){std::cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(2);}return shmid;
}
//通过封装函数给用户去使用，只需传入key值即可。
//获取共享内存，不一定要新的，因为不用调用它的进程去创建新的
int getShm(key_t k)
{return getShmHelper(k,IPC_CREAT);
}
//创建共享内存,使用IPC_CREAT | IPC_EXCL,确定创建的共享内存一定是新的。需要给权限0600
int createShm(key_t k)
{return getShmHelper(k,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
}//进程地址空间与共享内存相联
void* attachShm(int shmid)
{//通过shmat函数将共享内存段连接到进程地址空间//传入shmid和指定连接的进程地址的地址，但是这个一般不填，系统会自动去填//第三个参数是权限标志，是对内存只读还是读写。//在Linux系统中，一般是64位。我们这里需要将shmat函数返回的指针判断是否关联成功//强行转化为longlongvoid *men = shmat(shmid,nullptr,0);if((long long)men==-1L){std::cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;exit(3);}return men;//返回起始地址}void detachShm(void* start)
{//通过shmdt函数去关联if(shmdt(start)==-1){std::cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;}
}void delShm(int shmid)
{//通过shmctl函数删除共享内存//第一个参数是函数是需要对哪个共享内存操作，那个共享内存//第二个参数是需要进行什么样的操作//第三个参数一般给nullptrif(shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr)==-1){std::cerr<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;}
}

负责写入的进程程序代码client.cc：

#include"comm.hpp"
#include<unistd.h>int main()
{//第一步：创建key，创建共享内存key_t k = getKey();//获取keyprintf("key: 0x%x\n",k);//查看key值int shmid = getShm(k);//创建共享内存printf("shmid:%d\n",shmid);//查看shmid//第二步：关联内存和进程地址空间char* start = (char*)attachShm(shmid);printf("attach success,address start: %p\n",start);//查看起始地址//开始使用//写下需要往共享内存段写入的数据const char* message = "hello server,我是另一个进程，正在和你通信";pid_t id = getpid();int cnt = 1;while(true){sleep(5);//写入到共享内存段，将共享内存段当字符串，不需要额外char buffer[];snprintf(start,MAX_SIZE,"%s[pid:%d][消息编号:%d]",message,id,cnt++);}//去关联detachShm(start);//这个工程项目不需要删除共享内存return 0;
}

负责读取的进程的程序代码server.cc

#include"comm.hpp"
#include<unistd.h>int main()
{key_t k = getKey();//获取key值printf("key: 0x%x\n",k);//查看key值int shmid = createShm(k);//创建共享内存,必须是新的printf("shmid: %d\n",shmid);//查看共享内存//关联char* start = (char*)attachShm(shmid);printf("attach success, address start: %p\n", start);//使用while(true){//读取共享内存中的数据printf("client say: %s\n",start);//获取共享内存中的属性数据（部分）struct shmid_ds ds;shmctl(shmid,IPC_STAT,&ds);printf("获取属性: size: %d, pid: %d, myself: %d, key: 0x%x",\ds.shm_segsz, ds.shm_cpid, getpid(), ds.shm_perm.__key);sleep(1);}//去关联detachShm(start);//删除共享内存delShm(shmid);return 0;
}

 结果如下：在第一个五秒时，共享内存中没有任何数据。第二个五秒，消息编号为1。第三个五秒，消息编号为2......

 对于从内核数据结构中获取共享内存的属性，发现没有直接显示key值。但实际上key值是在这个内核数据结构中里面的另外一个结构体里面。

共享内存的优缺点

优点：所有使用共享内存的进程通信，速度是最快的！能大大减少数据拷贝的次数！并且生命周期是随系统的！那么，如果我们考虑到同样一份代码，分别使用管道和共享内存的话，并且考虑键盘输入和显示器输出，那么管道有几次拷贝？共享内存有几次拷贝？

 如图，管道的话，需要创建buffer来获取数据，然后通过管道进行通信。而共享内存不需要，因为共享内存可以作为字符串空间，直接写入和读取数据。因此，根据上图所示，管道是6次拷贝，共享内存是4次拷贝。当然，代码不同，拷贝的次数也不会同。

缺点：共享内存没有同步和互斥！