system V共享內存

在Linux系統中，共享內存是一種高效的進程間通信（IPC）機制，它允許兩個或者多個進程共享同一塊物理內存區域，這些進程可以將這塊區域映射到自己的虛擬地址空間中。

共享內存區是最快的IPC形式。一旦這樣的內存映射到共享它的進程的地址空間，這些進程間數據傳遞不再涉及到內核，換句話說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。

1.共享內存示意圖

2.共享內存數據結構

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_nattch;    /* no. of current attaches */unsigned short        shm_unused;    /* compatibility */void                  shm_unused2;   /* ditto - used by DIPC */void                  shm_unused3;   /* unused */
};

3.共享內存函數

shmget函數

1. 功能: 用來創建共享內存，在共享內存中起著關鍵的初始作用，負責在系統中分配一塊共享內存區域或者獲取已有的共享內存的表示符
2. 原型

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

3. 參數
   • key: 共享內存段名字（要用戶傳入），key是一個鍵值，用于唯一標識一塊共享內存段。（這個鍵值可以用ftok函數生成），若key值為IPC_PRIVATE,則創建一個新的私有共享內存段，這個段只能通過子進程繼承的方式被其他進程訪問，通常用于父子進程之間的通信
   • size: 共享內存大小
   • shmflg: 由九個權限標志構成，還包括權限位（用法和創建文件時使用的mode模式標志是一樣的）
     • 取值為IPC_CREAT: 共享內存不存在，創建并返回；共享內存已存在，獲取并返回。
     • 取值為IPC_CREAT | IPC_EXCL: 共享內存不存在，創建并返回；共享內存已存在，出錯返回一個非負整數，即該共享內存段的標識碼；失敗返回-1（只要成功，所創建的共享內存一定是新的）
4. 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

ftok函數

ftok 函數是在Linux系統里用于生成System V IPC（Inter-Process Communication，進程間通信）鍵值的函數。這個函數能夠把一個路徑名與一個項目ID轉換為一個系統V IPC鍵值，該鍵值可用于標識共享內存段、消息隊列和信號量集等。

1. 函數原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

2. 參數說明

• pathname：一個存在且可訪問的文件或目錄的路徑名。該文件或目錄必須真實存在，因為 ftok 會使用它的索引節點號（inode number）。
• proj_id：一個項目ID，它是一個1 - 255之間的非零整數。這個ID會和 pathname 的索引節點號結合起來生成IPC鍵值。

3. 返回值

• 若成功，返回一個有效的IPC鍵值。
• 若失敗，返回 -1，并設置 errno 以指示錯誤類型。

4. 示例代碼
   以下是一個使用 ftok 函數的簡單示例：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>int main() {const char *pathname = "/tmp";int proj_id = 'A';key_t key = ftok(pathname, proj_id);if (key == -1) {perror("ftok");return 1;}printf("Generated key: %d\n", (int)key);return 0;
}

在這個示例中，使用 /tmp 作為 pathname，'A' 作為 proj_id 來生成一個IPC鍵值。若生成成功，就會把該鍵值打印出來；若失敗，則會輸出錯誤信息。

5. 注意事項

• 要保證 pathname 對應的文件或目錄在使用期間不會被刪除或替換，不然生成的鍵值可能會改變。
• 不同的 pathname 和 proj_id 組合應該能生成不同的鍵值，但也不能完全排除生成相同鍵值的可能性。
• proj_id 的取值范圍是1 - 255，若超出這個范圍，可能會導致未定義行為。

shmat函數

1. 功能: 將共享內存段連接到進程地址空間
2. 原型

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

3. 參數
   • shmid: 共享內存標識
   • shmaddr: 指定共享內存連接到進程空間的起始地址，通常設置為NULL，讓系統自動選擇一個合適地址自行鏈接
   • shmflg: 用于控制共享內存與進程地址空間之間的聯系方式和訪問權限等
     • SHM_RDONLY:表示一只讀方式連接共享內存段，若不指定該標志，則默認是讀寫方式連接
     • SHM_REMAP:若設置該標志，當shmaddr部位NULL時，系統會將指定地址處已經存在的映射替換新的共享內存映射
4. 返回值: 成功返回一個指針，指向共享內存所連接的進程地址空間的起始位置；失敗返回-1

說明:

1. shmaddr為NULL，核心自動選擇一個地址
2. shmaddr不為NULL且shmflg無SHM_RND標記，則以shmaddr為連接地址。
3. 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（指定共享內存段在進程地址空間中的最低地址邊界）的整數倍。公式: shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)
4. shmflg=SHM_RDONLY，表示連接操作用來只讀共享內存

shmdt函數

1. 功能: 將共享內存段與當前進程脫離，但不刪除共享內存段
2. 原型

int shmdt(const void *shmaddr);

3. 參數
   • shmaddr: 由shmat所返回的指針
4. 返回值: 成功返回0；失敗返回-1
5. 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

1. 功能: 用于控制共享內存
2. 原型

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

3. 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
4. 返回值: 成功返回0；失敗返回-1

命令	說明
IPC_STAT	把shmid_ds結構中的數據設置為共享內存的當前關聯值
IPC_SET	在進程有足夠權限的前提下，把共享內存的當前關聯值設置為shmid_ds數據結構中給出的值
IPC_RMID	刪除共享內存段

4.共享內存的生命周期

測試代碼結構

示例1

server.c

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const char* PATH = ".";
const int PROJ_ID = 'a';
const int SHM_SIZE = 1024;int main() {// 生成唯一鍵值key_t key = ftok(PATH, PROJ_ID);if (key == -1) {perror("ftok");return 1;}// 獲取共享內存int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget");return 1;}// 將共享內存附加到進程地址空間char* shm_addr = static_cast<char*>(shmat(shmid, nullptr, 0));if (shm_addr == reinterpret_cast<char*>(-1)) {perror("shmat");return 1;}// 從共享內存讀取數據std::cout << "Reader: Data read from shared memory: " << shm_addr << std::endl;// 將共享內存從進程地址空間分離if (shmdt(shm_addr) == -1) {perror("shmdt");return 1;}// 刪除共享內存if (shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr) == -1) {perror("shmctl");return 1;}return 0;
}

client.c

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>const char* PATH = ".";
const int PROJ_ID = 'a';
const int SHM_SIZE = 1024;int main() {// 生成唯一鍵值key_t key = ftok(PATH, PROJ_ID);if (key == -1) {perror("ftok");return 1;}// 創建共享內存int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget");return 1;}// 將共享內存附加到進程地址空間char* shm_addr = static_cast<char*>(shmat(shmid, nullptr, 0));if (shm_addr == reinterpret_cast<char*>(-1)) {perror("shmat");return 1;}// 向共享內存寫入數據const char* message = "Hello, shared memory!";strcpy(shm_addr, message);std::cout << "Writer: Data written to shared memory." << std::endl;// 將共享內存從進程地址空間分離if (shmdt(shm_addr) == -1) {perror("shmdt");return 1;}return 0;
}

注意: 共享內存沒有進行同步與互斥! 共享內存缺乏訪問控制! 會帶來并發問題。

實例2.借助管道實現訪問控制版的共享內存

Comm.hpp

#pragma once
#include <fcntl.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <cstdio>
#include <ctime>
#include <cstring>
#include <iostream>using namespace std;#define Debug 0
#define Notice 1
#define Warning 2
#define Error 3
const std::string msg[] = {"Debug","Notice","Warning","Error"
};
std::ostream &Log(std::string message, int level) {std::cout << " | " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << msg[level] << " | " << message;return std::cout;
}
#define PATH_NAME "/home/hyb"
#define PROJ_ID 0x66
#define SHM_SIZE 4096 // 共享內存的大小，最好是頁(PAGE: 4096)的整數倍
#define FIFO_NAME "./fifo"
class Init {
public:Init() {int n = mkfifo(FIFO_NAME, 0666);assert(n == 0);(void)n;Log("create fifo success", Notice) << "\n";}~Init() {unlink(FIFO_NAME);Log("remove fifo success", Notice) << "\n";}
};
#define READ O_RDONLY
#define WRITE O_WRONLY
int OpenFIFO(std::string pathname, int flags) {int fd = open(pathname.c_str(), flags);assert(fd >= 0);return fd;
}
void CloseFifo(int fd) {close(fd);
}
void Wait(int fd) {Log("等待中...", Notice) << "\n";uint32_t temp = 0;ssize_t s = read(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;
}
void Signal(int fd) {uint32_t temp = 1;ssize_t s = write(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;Log("喚醒中...", Notice) << "\n";
}
string TransToHex(key_t k) {char buffer[32];snprintf(buffer, sizeof buffer, "0x%x", k);return buffer;
}

ShmServer.cc

#include "Comm.hpp"
Init init;
int main() {// 1. 創建公共的Key值key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1);Log("create key done", Debug) << " server key : " << TransToHex(k) << endl;// 2. 創建共享內存 -- 建議要創建一個全新的共享內存 -- 通信的發起者int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget");exit(1);}Log("create shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 3. 將指定的共享內存，掛接到自己的地址空間char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);Log("attach shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 4. 訪問控制int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, O_RDONLY);while (true) {// 阻塞Wait(fd);// 臨界區printf("%s\n", shmaddr);if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0)break;}CloseFifo(fd);// 5. 將指定的共享內存，從自己的地址空間中去關聯int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);(void)n;Log("detach shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// 6. 刪除共享內存，IPC_RMID, 即便是有進程和當下的shm掛接，依舊刪除共享內存n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);assert(n != -1);(void)n;Log("delete shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;return 0;
}

ShmClient.cc

#include "Comm.hpp"
int main() {// 1. 創建公共的Key值key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);if (k < 0) {Log("create key failed", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;exit(1);}Log("create key done", Debug) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;// 2. 獲取共享內存int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, 0);if (shmid < 0) {Log("create key failed", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;exit(2);}Log("create shm success", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;// 3. 掛接共享內存char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);if (shmaddr == (char*)-1) {Log("attach shm failed", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;exit(3);}Log("attach shm success", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;// 4. 寫int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, O_WRONLY);while (true) {ssize_t s = read(0, shmaddr, SHM_SIZE - 1);if (s > 0) {shmaddr[s - 1] = 0;Signal(fd);if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0)break;}}CloseFifo(fd);// 5. 去關聯int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);Log("detach shm success", Error) << " client key : " << TransToHex(k) << endl;return 0;
}

5.共享內存系統級管理指令

1. ipcs

該指令用于顯示系統中的進程間通信（IPC）資源信息，其中就包含共享內存段。

• 顯示所有共享內存段

ipcs -m

• 顯示指定用戶的共享內存段

ipcs -m -u username

2. ipcrm

此指令用于刪除系統中的IPC資源，能夠刪除指定的共享內存段。

• 通過ID刪除共享內存段

ipcrm -m shmid

其中shmid是共享內存段的ID，可以通過ipcs -m命令獲取。