Linux学习笔记:进程间的通信.共享内存shm

什么是共享内存shm

进程间通信的前提:必须让不同的进程看到同一份资源,并且这个资源是OS提供的

而共享内存(Share memory)就是在内核共享内存区找一块物理内存空间,并允许多个进程共享同一块内存区域的机制

不同于消息队列或管道，共享内存允许进程直接读写共享区域，因此具有较高的性能。通常情况下，共享内存用于需要频繁交换数据的场景，例如图形处理、数据库管理等。

原理图:

图片来源于bing搜索

共享内存的特点

• 共享内存的通信方式,不会提供同步机制,共享内存是直接裸露给所有使用者的,因此在使用共享内存的时候一定要注意安全问题
• 共享内存是所有进程通信中速度最快的,因为进程间的这块内存是共享的,因此这块内存中的数据是不需要进行拷贝等操作,每个进程可以直接访问
• 共享内存一般是可以提供较大的空间的

关键函数

ftok

ftok函数可以理解为file to key ,在linux下,一切皆文件,因此共享内存也可以被看成是文件,这里的file就指的是共享的那块物理内存,而ftok 函数用于生成一个与给定路径名和项目标识符相关联的键值（key），用于后续共享内存的创建或连接。

通常在创建共享内存之前，需要使用 ftok 函数生成一个键值，以确保不同进程能够访问同一块共享内存。

shmget

shmget 函数用于创建共享内存段或获取现有共享内存段的标识符。shmget 函数接受三个参数：键值（key）、大小（size）和标志（flags）。键值通常由 ftok 函数生成，大小是要创建的共享内存段的大小一般为4096的整数倍，标志用于指定创建共享内存段的权限和行为。

标志位flags一般会用到两个参数 IPC_CREATE 和 IPC_EXCL,一般情况下 IPC_EXCL不单独使用 IPC_CREATE是创建否则获取.

通过 shmget 函数可以创建新的共享内存段，或者获取已经存在的共享内存段的标识符。

shmat

shmat 函数用于将共享内存段连接到调用进程的地址空间，从而可以访问共享内存中的数据。

shmat 函数接受三个参数：共享内存标识符（shmid）、地址（shmaddr）和标志（flags）。共享内存标识符是由 shmget 函数返回的共享内存段标识符，地址是要将共享内存映射到的地址，如果为 NULL，则由系统自动选择，标志用于指定连接共享内存的行为。
最终返回一个指向共享内存的指针，用于后续对共享内存的访问。
通过 shmat 函数将共享内存连接到进程的地址空间，使得进程可以直接访问共享内存中的数据。

shmdt

shmdt 函数用于从调用进程的地址空间分离共享内存段，停止对共享内存的访问。

shmdt 函数接受一个参数，即指向共享内存的指针。
通过 shmdt 函数可以停止对共享内存的访问，并释放与之相关的资源。

shmctl

shmctl 函数用于对共享内存进行控制操作，如获取信息、设置权限、删除共享内存等。

shmctl 函数接受三个参数：共享内存标识符（shmid）、命令（cmd）和缓冲区（buf）。共享内存标识符是由 shmget 函数返回的共享内存段标识符，命令用于指定要执行的控制操作，缓冲区用于存放返回的信息或接收需要设置的参数。
通过 shmctl 函数可以对共享内存进行各种控制操作，如获取信息、设置权限、删除共享内存等。

代码示例

在下面的代码示例中,我创建了两个.cc文件 server.cc 和 client.cc ,在这两个cpp文件身生成的进程中有一段共享内存来传递信息,并插入命名管道使之具有更明显的分工效果

server.cc

#include<iostream>
#include<sys/ipc.h> //Inter-Process Communication
#include<sys/shm.h>
#include<cstring>


#include"comm.hpp"
 
int main()
{   
    //创建管道
    bool r = Makefifo();
    if(!r) return 1;

      //创建唯一的k用于两进程找到这段共享内存的标识 调用函数 ftok
    key_t k = GetKey();
  
    // 创建共享内存   
    int shmid = CreatShm(k);

    //挂载共享内存
    std::cout<<"开始将shm映射到我的进程中"<<std::endl;
    char* s = (char*)shmat(shmid,nullptr,0); 

    //根据客户端输入内容来从共享内存中获取内容
    int fd = open(filename.c_str(),O_RDONLY);

    while(true)
    {
        int code = 0;
        ssize_t n = read(fd,&code,sizeof(code));
        if(n > 0)
        {
            std::cout<<"共享内存:"<< s << std::endl;
        }
        else if(n == 0)
        {
            break;
        }
    }


    //将shm从进程中移除
    shmdt(s);
    std::cout<<"将shm从进程中移除"<<std::endl;

    //删除shm
    shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);
    std::cout<<"将shm从os中删除"<<std::endl;
    

    return 0;
}

client.cc

#include<iostream>
#include<sys/ipc.h> //Inter-Process Communication
#include<sys/shm.h>
#include<cstring>

#include"comm.hpp"
 
int main()
{   //获取k
    key_t k = GetKey();
    
    //获取shm
    int shmid = GetShm(k);

    //挂载共享内存到进程
    char* s = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);

    //获取管道fd
    int wfd = open(filename.c_str(),O_WRONLY);

    //对共享内存和管道进行输入,若写入共享内存,在通知管道可读
    char c = 'a';
    for(;c <= 'z';c++)
    {
        s[c - 'a'] = c;
        int code = 1;
        write(wfd,&code,sizeof(code));
        std::cout<<"write " << c << " done" << std::endl;
        sleep(1);
    }

    //删除管道
    unlink(filename.c_str()); 
    
    //将shm从进程中移除
    shmdt(s);
    std::cout<<"将shm从进程中移除"<<std::endl; 

    //因文共享内存机制的原因,两个进程是不会因此而同步,对两个进程说就是一个公共空间,里面的内容谁想用就用,想改就可以个改

    


    return 0;
}

comm.hpp

#pragma once

#include<iostream>
#include<string>
#include<fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include<unistd.h>

const std::string pathname = "/home/cris/vscodef";
const int proj_id = 0x11223344;
const std::string filename = "fifo";

const int sh_size = 4096;  //共享内存的大小最好设置成4096的倍数

key_t GetKey()
{

    key_t k = ftok(pathname.c_str(),proj_id);
    if(k < 0)
    {
        std::cerr << "errno:" << errno << ",errstring" << strerror(errno) <<std::endl;
        exit(1);
    }
    std::cout<< "key:" << k << std::endl;

    return k;

}


int CreatShmHelper(key_t key , int flag)
{
     //共享内存的生命周期是随内核的   查看共享内存:ipcs -m  删除: ipcrm -m shmid
    // 调用函数shmget  此函数技能创建又能获取  
    //一般情况下 IPC_EXCL不单独使用  IPC_CREATE是创建否则获取
    /// int shmget(key_t key,size_t size ,int shmflg)
    int shmid = shmget(key,sh_size,flag);
    if(shmid < 0)
    {
        std::cerr << "errno:" << errno << ",errstring" << strerror(errno) <<std::endl;
        exit(2);
    }
    std::cout<< "shmid:" << shmid << std::endl;
    return shmid;
}

int CreatShm(key_t key)
{
    return CreatShmHelper(key,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0644);
}

int GetShm(key_t key)
{
    return CreatShmHelper(key,IPC_CREAT);
}


bool Makefifo()
{
    int n = mkfifo(filename.c_str(),0666);
    if(n < 0)
    {
        std::cerr << "errno" << errno << ",errstring" << strerror(errno) << std::endl;
        return false;
    }
    return true;
}

Makefile

.PHONY:all
all:client server

client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -f server client fifo

运行效果如图: