[Linux打怪升级之路]-system V共享内存

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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本期学习目标：认识什么是 system V共享内存，认识共享内存的接口函数，学会运用共享内存

目录

一、共享内存的基本原理

1、什么是共享内存

2、共享内存和管道的对比

二、共享内存的系统接口 

1、shmget函数(创建共享内存)

 2、shmat函数(关联)

3、shmdt函数（去关联） 

4、shmctl函数(控制)

​三、用共享内存进行通信

1、comm.hpp

2、server.cpp 

 3、client.cpp

4、现象

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一、共享内存的基本原理

1、什么是共享内存

共享内存是一种进程间通信机制，它允许两个或多个进程共享同一块物理内存空间，从而实现数据共享。在共享内存中，进程可以通过读写共享内存的方式来相互通信，而不必进行复杂的管道、消息队列等进程间通信操作。

那我们知道了共享内存，其实就是OS操作系统管理的一块共享物理内存,那共享内存是怎么样实现进程间通信的呢？

下面我们看图来理解

首先我们让操作系统在物理内存中，创建一块共享内存。然后在将创建的内存通过页表映射到进程地址空间，这样 A和B进程就通过共享内存建立起来联系，A进程如果想和B进程通信，只要让A进程往物理内存中写数据，在让B进程读数据就可以了。最后我们不在想让AB进程进行通信，我们只要去关联就可以了，AB进程的关联无非是共享的物理内存，所以我们只要取消二者的映射关系，在释放内存即可。

那这种方式和我们前面将的管道将有什么优缺点吗？

客官别走，且听我细细道来。

2、共享内存和管道的对比

共享内存和管道是两种不同的进程间通信机制，它们各有优势和适用场景。下面是它们的对比：

1. 数据传输方式：

   • 共享内存：进程直接访问同一块物理内存，数据在内存中共享。
   • 管道：通过缓冲区进行数据传输，数据在缓冲区中依次流动。

2. 通信效率：

   • 共享内存：由于直接访问内存，读写效率高，适用于大量数据交换的场景。
   • 管道：数据需要经过内核空间，相对较慢，适用于小量数据传输或者不频繁的通信。

3. 数据同步和通信方式：

   • 共享内存：需要考虑并发控制和同步问题，通信方式更为灵活，可以使用类似锁、信号量等机制进行同步。
   • 管道：基于先进先出的原则，数据流动是单向的，不需要显式的同步操作。

4. 可扩展性：

   • 共享内存：多个进程可以同时访问共享内存，适用于多个生产者和消费者的情况。
   • 管道：一般情况下，只支持一个生产者和一个消费者，不适用于多个进程之间的数据交换。

综上所述，共享内存适用于大量数据交换、需要高效率和灵活同步的场景，而管道适用于小量数据传输或者不频繁的通信，并且只涉及一个生产者和一个消费者。

二、共享内存的系统接口 

1、shmget函数(创建共享内存)

功能：用来创建共享内存

原型： int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

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

返回值：成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码（shmid）；失败返回-1

key是什么 

 key是共享内存段的名字，我们要注意他是多少我们不关系，我们关心的是他的作用是能够进行唯一的标识。

虽然我们不关系他是多少，但是我们要传什么key给shmegt，key_t 是一个什么类型。

这里我们先看一个获取k的函数ftok()

。那key_t是个什么类型？

key_t是一个在Unix/Linux系统中用于表示IPC（进程间通信）键的类型。它被定义为一个整数类型（通常是int），用于唯一标识共享内存、消息队列和信号量等进程间通信机制。

 举例子获取k:

#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0x66key_t getKey()
{key_t k = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);if(k < 0){std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}return k;
}

其中的ftok（） 函数使用由给定路径名命名的文档的标识（必须引用现有的、可访问的文档）和最不重要的 8 位proj_id（必须为非零）生成一个key_t类型的 System V IPC 密钥

   shmflg是什么

   shmflg是标志位，用于指定操作共享内存的方式这里我们举例二种最常见的标志位：

IPC_CREAT：如果共享内存不存在就创建，如果存在就获取他。

IPC_EXCL：无法单独使用,IPC_CREAT|IPC_EXCL如果不存在创建共享内存，如果存在就出错返回。

shmget的用法：

#define MAX_SIZE 4096
int getShmHelper(key_t k, int flags)
{int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flags);if(shmid < 0){std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;exit(2);}return shmid;
}

 2、shmat函数(关联)

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);

参数： shmid: 共享内存标识 shmaddr:指定连接的地址 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，指向共享内存第一个节；失败返回-1

这里我们要注意的是返回指针可以认为是共享内存的起始地址。

 shmflg：

1. SHM_RND：将 size 参数舍入到系统页面大小的倍数。这样做可以保证共享内存段的大小是系统页面大小的整数倍，以提高性能。

2. SHM_RDONLY：以只读方式打开共享内存段。这意味着进程只能读取共享内存中的数据，不能进行写操作。这个标志通常用于让多个进程共享只读数据的情况

用法：

//返回指是共享内存的开始地址
void* attachShm(int shmid)
{void* start = shmat(shmid,nullptr,0);if((long long)start == -1L){std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) <<std::endl;exit(3);}return start;
}

3、shmdt函数（去关联） 

功能：将共享内存段与当前进程脱离

原型： int shmdt(const void *shmaddr);

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

用法：

void detachShm(void *start)
{if(shmdt(start) == -1){std::cerr <<"shmdt: "<< errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;}
}

4、shmctl函数(控制)

功能：用于控制共享内存

原型： int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

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） 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

这里我们重点关注：参数cmd

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，把共享内存的当前值设置为shmid_ds数据结构中给出的值

IPC_RMID：删除共享内存

  struct shmid_ds *buf参数保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构，里面存放这共享内存的共享参数

 三、用共享内存进行通信

下面我们将用共享内存实现server和client的通信

1、comm.hpp

我们定义一个comm.hpp的头文件定义server和client共同使用的函数：

#ifndef _COMM_HPP
#define _COMM_HPP#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<cerrno>
#include<cstring>
#include<cstdio>
#include<cstdlib>#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0x66#define MAX_SIZE 4096//获取密钥k
key_t getKey()
{key_t k = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);if(k < 0){std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;exit(1);}return k;
}//调用shmget创建共享内存
int getShmHelper(key_t k, int flags)
{int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flags);if(shmid < 0){std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;exit(2);}return shmid;
}//获取shmid标识码
int getShm(key_t k)
{return getShmHelper(k,IPC_CREAT);
}//调用getShmHelper
int createShm(key_t K)
{return getShmHelper(K,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
}//返回指是共享内存的开始地址
void* attachShm(int shmid)
{void* start = shmat(shmid,nullptr,0);if((long long)start == -1L){std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) <<std::endl;exit(3);}return start;
}//进行去关联
void detachShm(void *start)
{if(shmdt(start) == -1){std::cerr <<"shmdt: "<< errno << ":" << strerror(errno) << std::endl;}
}//删除共享内存
void delShm(int shmid)
{if(shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr) == -1){std::cerr << errno << ":" << strerror(errno) <<std::endl;}
}#endif

2、server.cpp 

这里我们让server进程，打印k和shmid值给我们看一下，并进行创建共享内存，并且进行和client进行通信

#include"comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{key_t k = getKey();//看看kprintf("key: 0x%x\n",k);//创建共享内存int shmid = createShm(k);printf("shmid: %d\n",shmid);//关联共享内存char *start = (char*)attachShm(shmid);printf("attach success, address start: %p\n", start);const char* message = "hello server,我是clinet正在和你通信";pid_t id = getpid();int cnt = 1;while(true){sleep(5);snprintf(start,MAX_SIZE,"%s[pid:%d][信息标号:%d]",message,id,cnt);}detachShm(start);return 0;
}

 3、client.cpp

这里我们让client和server进行通信,server负责接受就可以了

#include"comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{key_t k = getKey(); printf("key: 0x%x\n", k);int shmid = getShm(k);printf("shmid: %d\n", shmid);//关联共享内存char *start = (char*)attachShm(shmid);printf("attach success, address start: %p\n", start);const char* message = "hello server,我是clinet正在和你通信";pid_t id = getpid();int cnt = 1;while(true){sleep(5);snprintf(start,MAX_SIZE,"%s[pid:%d][信息标号:%d]",message,id,cnt);}//去关联detachShm(start);return 0;
}

4、现象

运行shm_server

运行shm_client 

 但是当我们第二次在运行./shm_server时候却不行了

这是为什么呢？ 

我们通过ipcs -m命令查看一下：

ipcs -m

ipcs -m 是一个Unix/Linux系统中的命令，用于列出当前系统中的共享内存段信息。它可以显示已经创建的共享内存段的详细信息，包括标识符、权限、大小、进程ID等。

• key：共享内存段的键值。
• shmid：共享内存段的标识符。
• owner：创建该共享内存段的用户ID。
• perms：共享内存段的权限。
• bytes：共享内存段的大小（字节数）。
• nattch：连接到该共享内存段的进程数量。
• status 字段表示共享内存段的状态

其中

status 值及其含义如下：

• 0：表示共享内存段当前未被使用或已被释放。
• dest：表示共享内存段标记为准备删除状态。这意味着共享内存段即将被销毁，但仍然有进程连接到它，只有当所有连接到该共享内存段的进程都脱离连接时，它才会被完全删除。
• out：表示共享内存段处于被卸载状态。这意味着该共享内存段已经被脱离连接，但仍然存在于系统中。可以通过手动操作或进程退出来释放该共享内存段。
• err：表示共享内存段状态异常，可能由于系统错误或其他问题导致无法正常访问和管理。

 

 这说明了共享内存生命周期是随操作系统的，不是随进程。用就是说如果我们没有主动调用shmcl函数去控制删除共享内存空间，那么我们后面就要自去删除一下就可以在次运行了。

ipcrm -m shmid