【Linux系統】命名管道與共享內存

前言：????????

? ? ? ? 上文我們講到了匿名管道【Linux系統】匿名管道以及進程池的簡單實現-CSDN博客

? ? ? ? 本文我們來講一講命名管道與共享內存

命名管道

????????上面我們講到，匿名管道只能用于有血緣關系（尤其父子）的進程進行通信！但如果我們想讓沒有關系的進程進行通信，該怎么辦呢？命名管道就是答案！

? ? ? ? 進程間通信的本質是讓不同的進程看到同一份資源！命名管道也是一樣！

1.命名管道原理

? ? ? ? 1.命名管道與匿名管道一樣，本質上都是文件！

? ? ? ? 2.命名管道不同與匿名管道，命名管道是有名字、有路徑的！

? ? ? ? 3.如下圖，創建命名管道只會返回一個fd。并且當多個進程打開同一個文件時，系統并不會將其加載多次。

? ? ? ? 4.命名管道同匿名管道一樣，其緩沖區不會刷新到磁盤中！

? ? ? ? 5.如何保證多個進程打開的是同一個命名管道？路徑！路徑是唯一的！

2.命名管道的特性

命名管道的特性與匿名管道基本一樣！唯一區別就是：命名管道可用于不相關進程間的通信！

5種特性：

命名管道，可用于不相關的進程通信

命名管道文件，自帶同步機制：包含5種通信情況！

命名管道的面向字節流的

命名管道是單向通信的！（屬于半雙工的特殊情況。半雙工：任何時候一個發，一個收。全雙工：任何時候，可以同時收發）

命名管道的生命周期是由管道文件是否被刪除決定的！

5種通信情況：

只要有一方沒有打開管道文件，另一方就會阻塞在open處！直到都打開了管道文件，才會向下繼續執行！

寫慢，讀快：讀端阻塞，等待寫端

寫快，讀慢：管道緩沖區寫滿了，就要阻塞等待讀端

寫關閉，讀繼續：一直讀取，知道讀到完，返回0，表示讀取到文件末尾

寫繼續，讀關閉：無意義操作！OS會自動殺掉寫端進程（通過信號：13 SIGPIPE殺掉）

3.命名管道的接口

指令方面

//創建命名管道
mkfifo  管道名//刪除命名管道
rm  管道名
unlink  管道名

yc@hyc-alicloud:~$ mkfifo t1hyc@hyc-alicloud:~$ ls -l
total 8
prw-rw-r--  1 hyc hyc    0 Aug 22 12:01 t1hyc@hyc-alicloud:~$ unlink t1
hyc@hyc-alicloud:~$ ls -l
total 8

? ? ? ? 我們可以看到，創建的管道文件第一個字母為：p！這代表管道文件！

代碼方面

創建命名管道：

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);pathname：FIFO 文件路徑（如 /tmp/myfifo），進程通過該路徑訪問管道。
mode：文件權限（如 0666 表示讀寫權限，需結合進程的 umask 計算實際權限）。
返回值：成功返回 0，失敗返回-1

打開命名管道：

#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags);flags：打開模式，需指定 O_RDONLY（只讀，讀端）或 O_WRONLY（只寫，寫端）
返回值：成功返回fd，失敗返回-1

刪除命名管道：

#include <unistd.h>
int unlink(const char *pathname);FIFO文件被刪除后，已打開的進程仍可繼續使用對應資源，直到所有進程關閉文件描述符后，資源才徹底釋放

4.利用命名管道實現通信

? ? ? ? 值得一提的，命名管道的同步機制是：只要有一方沒有打開管道文件，另一方就會阻塞在open處！直到都打開了管道文件，才會向下繼續執行！

//comm.hpp#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
using namespace std;// 目標：實現client與service的通信#define EXIT(m)             \do                      \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \} while (0)class NameFifo
{
public:NameFifo(string path, string name): _path(path), _name(name){_fd = -1;_PATH = _path + "/" + _name;}// 創建管道void Create(){int n = mkfifo(_PATH.c_str(), 0666);if (n < 0){EXIT("mkfifo");}cout << "命名管道創建成功！\n";}// 打開管道void OpenForRead(){_fd = open(_PATH.c_str(), O_RDONLY);if (_fd < 0){EXIT("open");}cout << "讀端打開成功！\n";}void OpenForWrite(){_fd = open(_PATH.c_str(), O_WRONLY);if (_fd < 0){EXIT("open");}cout << "寫端打開成功！\n";}// 讀取數據void Read(){char buffer[1024];int n = read(_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);buffer[n] = 0;printf("接收到數據：%s\n", buffer);}// 寫數據void Write(){string msg;cout << "請輸入內容：\n";cin >> msg;write(_fd, msg.c_str(), msg.size());}// 關閉管道void Close(){close(_fd);unlink(_PATH.c_str());cout << "管道：" << _fd << "關閉并刪除！\n";}private:string _path;string _name;string _PATH;int _fd;
};//service.cc#include "comm.hpp"int main()
{NameFifo nf(".", "myfifo");nf.Create();nf.OpenForWrite();nf.Write();nf.Close();
}//client.cc#include "comm.hpp"int main()
{//service已經創建了管道，這里不用再創建了！NameFifo nf(".", "myfifo");nf.OpenForRead();nf.Read();nf.Close();
}

system V共享內存

system V共享內存也是進程間通信的一重要方式！

1.system V

? ? ? ? system V是Linux系統中的一種標準。它規定了系統調用接口的設計，共享內存正是滿足了這一標準。

2.共享內存的原理

? ? ? ? 如圖，顧名思義共享內存就是將相同的內存空間，通過頁表映射到不同的進程中去，達到不同進程訪問同一個數據的效果（既IPC）

????????1.想要完成上面的操作系統通過操作系統提供的系統調用來實現！

? ? ? ? 2.取消內存與進程之間的映射關系，OS會自動的釋放共享內存

? ? ? ? 3.一個操作系統必然存在多個共享內存供給多個進程使用，所以OS一定會去管理共享內存，至于如何管理，我們后面說！

3.共享內存接口

創建or獲取共享內存：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);key：共享內存的唯一標識（通過 ftok 函數生成）
size：共享內存段的大小（字節），創建新段時必須指定，獲取已有段時可設為 0shmflg：標志位（獲取）IPC_CREAT：若不存在則創建新段，若存在則打開這個共享內存，并返回（創建）IPC_EXCL：與 IPC_CREAT 配合使用(單獨使用沒有意義)，若指定要創建的共享內存已經存在則返回錯誤，否則創建（想要給出權限：如0666）成功：返回共享內存段標識符（shmid，非負整數）；
失敗：返回 -1，并設置 errno

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);pathname：指向一個已存在的文件路徑的字符串，ftok 會使用該文件的 inode 編號 和 設備編號 作為生成鍵值proj_id：一個 8 位的非 0 整數用于區分同一文件對應的不同 IPC 對象，范圍為1~255成功：返回一個 key_t 類型的鍵值（非負整數）
失敗：返回 -1，并設置 errno 表示錯誤原因

讓物理內存地址與虛擬地址進行映射：

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);shmid：shmget返回的共享內存 ID
shmaddr：指定映射到進程地址空間的起始地址。通常設為NULL，由內核自動分配
shmflg：映射選項，如SHM_RDONLY（只讀映射，默認是讀寫）返回值：成功返回映射后的內存起始地址（void*），失敗返回(void*)-1（設置errno）

解除映射關系：

int shmdt(const void *shmaddr);參數：shmaddr為shmat返回的共享內存起始地址
返回值：成功返回0，失敗返回-1（設置errno）

刪除or查詢狀態：

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);shmid：共享內存 IDcmd：控制命令，常用：
IPC_RMID：標記共享內存段為待刪除（所有進程分離后實際刪除）
IPC_STAT：獲取共享內存屬性，存儲到buf指向的struct shmid_ds結構中
IPC_SET：修改共享內存屬性（需進程有足夠權限）
buf：指向struct shmid_ds的指針（用于IPC_STAT/IPC_SET），IPC_RMID時可設為NULL返回值：成功返回0，失敗返回-1（設置errno）

4.共享內存特性

在上面的接口中，我們會發現共享內存中存在兩個標示符：唯一標識符key、內存段標識符shmid

理解：

??key?是用戶層 “告訴內核要找哪個內存段” 的標識，shmid?是內核 “告訴用戶層如何操作這個內存段” 的句柄。兩者的交互是 “用戶層用key換shmid，再用shmid操作內存段”。簡而言之，查找時用key，操作時用shmid！！！

如何保證不同的進程訪問的是同一個內存呢？那當然是key了！只要對ftok傳入相同的函數，就可以得到相同的key，從而找到相同的內存段！

共享內存的生命周期是隨內核的！如果不顯示的刪除，那么就算進程退出了，共享內存仍然存在！

共享內存大小：必須是4KB（4096）的整數！

同步機制：

不同于管道，共享內存本身是沒有同步機制的！

共享內存屬于用戶空間，用戶可以直接訪問！

那其優點就是：速度快，映射之后可以直接看到資源，并可以直接讀取！沒有限制的

但缺點就是，沒有同步機制，這會導致數據不被保護！

比如：寫數據寫到一半，就被讀取走了！（管道調用系統調用，會被內核保護起來。而共享內存是沒有內核保護的）

5.利用共享內存實現進程間通信

//Shm.hpp#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;// 目標：利用共享內存，實現service和client的通信#define SIZE 4096
#define gmode 0666
#define EXIT(m)             \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \}class Shm
{
public:Shm(string &pathname, int &projid){_key = ftok(pathname.c_str(), projid);}// 創建共享內存void Creat(){umask(0);_shmid = shmget(_key, SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode);if (_shmid < 0){EXIT("shmget");}cout << "創建共享內存成功！\n";}// 獲取共享內存void Get(){_shmid = shmget(_key, SIZE, IPC_CREAT);if (_shmid < 0){EXIT("shmget");}cout << "獲取共享內存成功！\n";}// 映射共享內存至虛擬空間void Attach(){_start_mem = shmat(_shmid, NULL, 0);if ((long long)_start_mem < 0){EXIT("shmat");}cout << "映射成功！\n";}void Destroy(){UnAttach();int n = shmctl(_shmid, IPC_RMID, NULL);if (n < 0){EXIT("shmctl");}cout << "刪除共享內存成功！\n";}// 獲取開始地址void *Start(){return _start_mem;}private:// 解除映射void UnAttach(){int n = shmdt(_start_mem);if (n < 0){EXIT("shmdt");}cout << "解除映射成功！\n";}key_t _key;int _shmid;void *_start_mem;
};//service.cc#include "Shm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{string pathname = ".";int projid = 0x66;Shm shm(pathname, projid);shm.Creat();shm.Attach();// 寫入數據char *arr = (char *)shm.Start();for (int i = 'a'; i <= 'z'; i++){arr[i - 'a'] = i;sleep(1);}shm.Destroy();
}//client.cc#include "Shm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{string pathname = ".";int projid = 0x66;Shm shm(pathname, projid);shm.Get();shm.Attach();// 讀取數據while (1){printf("%s\n", (char *)shm.Start());sleep(1);}shm.Destroy();
}