Linux操作系統--進程間通信(system V共享內存)

目錄

1.system V共享內存

2.共享內存數據結構

3.共享內存函數

4.實例代碼：

1.system V共享內存

共享內存區是最快的IPC(進程間通信)形式。一旦這樣的內存映射到共享它的進程地址空間，這些進程間數據傳遞不再涉及到內核，換句話說是進程不再通過執行進入內核的系統調用來傳遞彼此的數據。

共享內存區它是指多個進程可以訪問和共享同一塊內存區域，從而實現進程間的數據交換和通信。共享內存區通常被認為是最快的IPC形式，因為它避免了數據的復制和傳輸，進程可以直接在共享的內存區域中讀寫數據，速度較快。

system V的特性：

  1. 共享內存沒有同步互斥之類的保護機制
  2. 共享內存是所有進程間通信中，速度最快的
  3. 共享內存內部的數據由用戶自己維護

2.共享內存數據結構

進程間通信的本質：先讓不同的進程，看到同一份資源

操作系統要不要管理所有的共享內存？要，先描述再組織

1.?防止沖突

如果沒有操作系統統一管理共享內存，多個進程可能會同時嘗試訪問同一塊內存區域，從而引發數據競爭或不一致的情況。這種情況下可能導致程序崩潰甚至整個系統不穩定。

2.?保護隱私與安全

操作系統通過權限控制機制確保只有授權的進程能夠訪問特定的共享內存區域。這不僅有助于維護不同應用程序之間的隔離性，還增強了整體系統的安全性。

3.?優化性能

通過虛擬內存技術和工作集理論的支持，操作系統可以更高效地調度和分配共享內存給各個需要它的進程。這樣不僅可以減少不必要的物理內存占用，還能提升多任務環境下的響應速度和吞吐量。

4.?簡化編程模型

對于開發者而言，擁有一個由操作系統提供并保障的一致性和可靠性高的共享內存抽象層是非常重要的。它可以讓程序員專注于業務邏輯而非底層復雜的同步細節。

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;        /* Ownership and permissions */size_t          shm_segsz;       /* Size of segment (bytes) */time_t          shm_atime;       /* Last attach time */time_t          shm_dtime;       /* Last detach time */time_t          shm_ctime;       /* Last change time */unsigned short  shm_cpid;        /* PID of creator */unsigned short  shm_lpid;        /* PID of last operator */unsigned short  shm_nattch;      /* Number of current attaches */
};
struct ipc_perm {key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST andSHM_LOCKED flags */unsigned short __seq;    /* Sequence number */};

3.共享內存函數

ftok函數

功能：生成一個key

首先，我們需要談談 什么是key

  1. key是一個數字，這個數字是幾不重要，關鍵在于它必須在內核中具有唯一性，能夠讓不同的進程進行唯一性標識
  2. 第一個進程可以通過key創建共享內存，第二個之后的進程，只要拿著同一個key就可以和第一個進程看到同一個共享內存
  3. 對于一個已經創建好的共享內存key在哪？key在共享內存的描述對象中
  4. 第一次創建的時候必須有一個key了
  5. key--類似路徑--唯一

參數

????????pathname：一個已存在的文件路徑名，函數會依據該文件的inode號參與生成鍵值。要確保調用ftok的進程對該文件有讀權限

????????proj_id：一個整數，通常使用0 - 255（8 位）范圍內的值，作為項目標識符進一步確保生成鍵值的唯一性

返回值：key值

shmget函數

功能：用來創建共享內存
原型
????????int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
參數
????????key:這個共享內存段名字
????????size:共享內存大小(單位是字節)
????????shmflg:由九個權限標志構成，它們的用法和創建文件時使用的mode模式標志是一樣的
返回值：成功返回一個非負整數，即該共享內存段的標識碼；失敗返回-1

shmat函數

功能：將共享內存段連接到進程地址空間
原型
????????void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
參數
????????shmid: 共享內存標識
????????shmaddr:指定共享內存出現在進程內存地址的位置
????????shmflg:它的兩個可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值：成功返回一個指針，指向共享內存第一個節；失敗返回-1

說明：

shmaddr為NULL，核心自動選擇一個地址
shmaddr不為NULL且shmflg無SHM_RND標記，則以shmaddr為連接地址。
shmaddr不為NULL且shmflg設置了SHM_RND標記，則連接的地址會自動向下調整為SHMLBA的整數倍。公式：shmaddr -
(shmaddr % SHMLBA)
shmflg=SHM_RDONLY，表示連接操作用來只讀共享內存

shmdt函數

功能：將共享內存段與當前進程脫離
原型
????????int shmdt(const void *shmaddr);
參數
????????shmaddr: 由shmat所返回的指針
返回值：成功返回0；失敗返回-1


注意：將共享內存段與當前進程脫離不等于刪除共享內存段

shmctl函數

功能：用于控制共享內存
原型
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
參數
shmid:由shmget返回的共享內存標識碼
cmd:將要采取的動作（有三個可取值）
buf:指向一個保存著共享內存的模式狀態和訪問權限的數據結構
返回值：成功返回0；失敗返回-1

cmd：控制命令，常用值如下：

  • IPC_RMID：標記共享內存段為 “待刪除” 狀態（實際刪除發生在所有進程斷開連接后）。
  • IPC_STAT：將共享內存的狀態信息復制到?buf中。
  • IPC_SET：使用中的buf值更新共享內存的權限和所有者信息。
  • IPC_INFO：獲取系統范圍內共享內存的限制和狀態（需 Linux 特定參數）。

注意：
共享內存的生命周期是隨內核的！

用戶不主動關閉，共享內存會一直存在

除非內核重啟(用戶釋放)

ipcs -m

指令用于顯示系統中當前存在的共享內存段的詳細信息。通過運行這個指令，可以查看系統中的共享內存段的標識符、大小、權限等信息。這對于診斷和監視系統中共享內存的使用情況非常有用。

4.實例代碼：

makefile

.PHONY:all
all:processa processbprocessa:processa.ccg++ -o $@ $^ -g -std=c++11
processb:processb.ccg++ -o $@ $^ -g -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f processa processb

comm.hpp

#ifndef __COMM_HPP__
#define __COMM_HPP__#include <iostream>
#include<string>
#include<cstdlib>
#include<cstring>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>#include "log.hpp"using namespace std;Log log;
//共享內存的大小一般建議是4096的整數倍
//4097，實際上操作系統給你的是4096*2的大小
const int size = 4096;
const string pathname="/home/xchild";
const int proj_id = 0x6666;key_t GetKey()
{key_t k = ftok(pathname.c_str(), proj_id);if(k < 0){log(Fatal,"ftok error: %s",strerror(errno));exit(1);}log(Info, "ftok success, key is : 0x%x",k);return k;
}int GetShareMemHelper(int flag)
{key_t k = GetKey();int shmid = shmget(k, size, flag);if(shmid < 0){log(Fatal,"create share memory error: %s",strerror(errno));exit(2);}log(Info,"create share memory success, shmid: %d",shmid);return shmid;
}int CreateShm()
{return GetShareMemHelper(IPC_CREAT);
}int GetShm()
{return GetShareMemHelper(IPC_CREAT);
}#define FIFO_FILE "./myfifo"
#define MODE 0664enum{FIFO_CREATE_ERR = 1,FIFO_DELETE_ERR,FIFO_OPEN_ERR
};class Init
{public:Init(){//創建管道int n = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);if(n == -1){perror("mkfifo");exit(FIFO_CREATE_ERR);}}~Init(){int m = unlink(FIFO_FILE);if(m == -1){perror("unlink");exit(FIFO_DELETE_ERR);}}
};#endif

processa.cc

#include"comm.hpp"extern Log log;int main()
{Init init;int shmid = CreateShm();char *shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);//ipc code 在這里！！//一旦有人把數據寫入到共享內存，其實我們立馬能看到了//不需要經過系統調用，直接就能看到數據了int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);//等待寫入方打開之后，自己才會打開文件，向后執行，open阻塞了if(fd < 0){log(Fatal,"error string: %s, error code: %d", strerror(errno),errno);exit(FIFO_OPEN_ERR);}struct shmid_ds shmds;while(true){char c;ssize_t s = read(fd, &c, 1);if(s == 0)break;else if(s < 0)break;cout << "client say@ " <<shmaddr <<endl;//直接訪問共享內存sleep(1);shmctl(shmid,IPC_STAT,&shmds);cout<<"shm size: "<<shmds.shm_segsz<<endl;cout<<"shm nattch: "<<shmds.shm_nattch<<endl;printf("shm key: 0x%x\n", shmds.shm_perm.__key);cout<<"shm mode: "<<shmds.shm_perm.mode<<endl;}shmdt(shmaddr);shmctl(shmid, IPC_RMID,nullptr);close(fd);return 0;
}

processb.cc

#include "comm.hpp"int main()
{int shmid = GetShm();char *shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);int fd = open(FIFO_FILE,O_WRONLY);//等待寫入方打開之后，自己才會打開文件，向后執行，open阻塞了if(fd < 0){log(Fatal,"error string: %s, error code: %d",strerror(errno),errno);exit(FIFO_OPEN_ERR);}//一旦有了共享內存，掛接到自己的地址空間中，你直接把他當作你的內存空間來用即可//不需要調用系統調用//ipc codewhile(true){cout<<"Please Enter@ ";fgets(shmaddr,4096,stdin);write(fd,"c",1);//通知對方}shmdt(shmaddr);close(fd);return 0;
}

log.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <time.h>
#include <stdarg.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>#define SIZE 1024#define Info 0
#define Debug 1
#define Warning 2
#define Error 3
#define Fatal 4#define Screen 1
#define Onefile 2
#define Classfile 3#define LogFile "log.txt"class Log
{
public:Log(){printMethod = Screen;path = "./log/";}void Enable(int method){printMethod = method;}std::string levelToString(int level){switch (level){case Info:return "Info";case Debug:return "Debug";case Warning:return "Waring";case Error:return "Error";case Fatal:return "Fatal";default:return "None";}}void printLog(int level, const std::string &logtxt){switch (printMethod){case Screen:std::cout << logtxt << std::endl;break;case Onefile:printOneFile(LogFile, logtxt);break;case Classfile:printClassFile(level, logtxt);break;}}void printOneFile(const std::string &logname, const std::string &logtxt){std::string _logname = path + logname;int fd = open(_logname.c_str(), O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND, 0666);if (fd < 0)return;write(fd, logtxt.c_str(), logtxt.size());close(fd);}void printClassFile(int level, const std::string &logtxt){std::string filename = LogFile;filename += ".";filename += levelToString(level);printOneFile(filename, logtxt);}~Log(){}void operator()(int level, const char *format, ...){time_t t = time(nullptr);struct tm *ctime = localtime(&t);char leftbuffer[SIZE];snprintf(leftbuffer, sizeof(leftbuffer), "[%s][%d-%d-%d %d:%d:%d]", levelToString(level).c_str(),ctime->tm_year + 1900, ctime->tm_mon + 1, ctime->tm_mday,ctime->tm_hour, ctime->tm_min, ctime->tm_sec);va_list s;va_start(s, format);char rightbuffer[SIZE];vsnprintf(rightbuffer, sizeof(rightbuffer), format, s);va_end(s);// 格式：默認部分+自定義部分char logtxt[SIZE * 2];snprintf(logtxt, sizeof(logtxt), "%s %s\n", leftbuffer, rightbuffer);printLog(level, logtxt);}private:int printMethod;std::string path;
};

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