Linux之进程间通信（system V 共享内存）

目录

一、共享内存

1、基本原理

2、共享内存的创建

3、共享内存的释放

4、共享内存的关联

5、共享内存的去关联

6、查看IPC资源

二、完整通信代码

三、共享内存的特点

四、信号量

1、相关概念

2、信号量概念

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进程间通信的本质就是让不同的进程看到同一个资源。而前面我们讲到了进程通信的最基础，最传统的方法——管道。我们知道了，无论是匿名管道还是命名管道，它们让不同进程看到同样的资源的方法，就是通过访问同样的文件来看到同样的资源。

进程间是相互独立的，因此进程的各种数据是存储在物理内存的不同区域的。那么，如果两个不同的进程能够访问到同一块内存空间，是不是就相当于看到了同样的资源。那么有没有这样的方法呢？答案是肯定的，system V中的共享内存就是这样的一种进程间通信的方法。

一、共享内存

1、基本原理

在学习了进程地址空间后，我们知道，在堆和栈之间有一块空间叫做共享区。

我们在物理内存中申请了一块空间，然后通过页表将这块空间，映射到不同进程的进程地址空间的共享区中， 然后再将映射到共享区的地址返回给各自的进程。那么，不同的进程就可以通过拿到虚拟地址，找到共享区，接着通过页表映射，找到物理内存。

这样，不同的进程就能够看到同一块空间了。这种工作方式就叫做共享内存。

如果想结束通信，我们直接取消进程和内存的映射关系，释放共享内存。

共享内存的提供者是操作系统，而操作系统中可能会有多个共享内存，所以操作系统必定需要将各个共享内存管理起来，怎么管理呢？当然是，先描述，再组织。

所以，共享内存包括了共享内存块和描述共享内存的内核数据结构。

2、共享内存的创建

shmget ：作用是用来创建共享内存。返回值：shmid：共享内存的用户层标识符（类似于fd）。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
 
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
 
RETURN VALUE
       On success, a valid shared memory identifier is returned.  On errir, -1 is returned, and errno is set to indicate the error

参数说明：

size：创建的共享内存的大小。

shmflg：通常被设置成两个选项： IPC_CREAT、 IPC_EXCL

IPC_CREAT：共享内存不存在，则创建，如果存在则直接获取。IPC_EXCL：无法单独使用IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果不存在就创建，如果存在就出错返回。

key：当一个进程将共享内存创建好了，而与之通信的另一个进程怎么保证看到的就是我创建的共享内存呢？key值就可以解决这个问题。

OS中一定会存在很多的共享内存，共享内存本质就是在内存中申请一块空间，而key能对其进行唯一标识。进程如果在内存中创建了共享内存，为了让共享内存在系统中保证唯一的，通过key来进行标识，所以只要让另一个进程也看到同一个key，那么不同的进程就能看到同一个共享内存。而key值就在描述共享内存的内核结构体struct shm中。

 那么，我们应该给key传入什么值呢：使用 ftok函数来形成key。

ftok:

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
 
RETURN VALUE
 On success, the generated key_t value is returned.  On failure -1 is returned, with errno indicating the error as for the stat(2) system call.

3、共享内存的释放

因为共享内存是由操作系统提供并管理的，所以共享内存的生命周期是随操作系统，而不是随进程的。所以我们在使用完共享内存后，需要用户亲自删除。

1、使用命令删除：ipcrm -m shmid

2、使用代码函数删除

shmctl：作用是删除共享内存。参数：shmid：删除共享内存的标识符，cmd：控制种类（一般使用 IPC_RMID），buf：控制共享内存的数据结构，可以简单设置为空（nullptr）。

返回值：0表示成功，-1表示失败。

 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/shm.h>
 
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

4、共享内存的关联

shmat：作用是将共享内存与对应的进程关联起来。我们把进程和共享内存建立映射关系的操作称为挂接。

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/shm.h>
 
 void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数：shmaddr：指定虚拟地址，但是我们并不了解，直接设置为nullptr即可；shmflg：读取权限，默认为0。

5、共享内存的去关联

shmdt：作用是将共享内存与对应的进程的关联解除。我们把取消进程和内存的映射关系的操作称为去关联。shmaddr：指定虚拟地址。

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
int shmdt(const void *shmaddr);
 
RETURN VALUE
On  success  shmdt() returns 0; on error -1 is returned, and errno is set to indi‐cate the cause of the error.

6、查看IPC资源

1、查看共享内存：ipcs -m      bytes：共享内存大小(最后是页PAGE：4096的整数倍)    nattch：与该共享内存关联的进程个数

owner：共享内存的拥有者。 perms：拥有者对于该共享内存的权限

2、删除共享内存：ipcsrm -m  shmid

3、ipcs -q：查看消息队列

4、ipcs -s：查看信号量

二、完整通信代码

shmcoom.hpp

#pragma once
 
#include<iostream>
#include<cassert>
#include<cstring>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<unistd.h>
 
using namespace std;
 
#define SHM_SIZE 4096
#define PATH_NAME "/home/zdl"
#define PROJ_ID 0x66

server.cc

#include "shmcomm.hpp"
 
int main()
{
    // 1.创建key值
    key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    assert(k != -1);
    printf("key: %d\n", k);
 
    // 2.创建共享内存
    int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }
 
    // 3.关联共享内存
    char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (shmaddr == nullptr)
    {
        perror("shmat");
        exit(2);
    }
 
    // 4.进程间通信
    for (;;)
    {
        printf("%s\n", shmaddr);
        if (strcmp(shmaddr, "quit") == 0)
            break;
        sleep(1);
    }
 
    // 5.去关联
    int m = shmdt(shmaddr);
    assert(m != -1);
    (void)m;
 
    // 6。删除共享内存
    int n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);
    assert(n != -1);
    (void)n;
 
    return 0;
}

 client.cc

#include "shmcomm.hpp"
 
int main()
{
    // 获取key值
    key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    assert(k != -1);
    printf("key: %d\n", k);
 
    // 获取共享内存
    int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }
 
    // 挂接
    char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (shmaddr == nullptr)
    {
        perror("shmat");
        exit(2);
    }
 
    // 进程间通信
    int count = 0;
    while (count < 10)
    {
        snprintf(shmaddr, SHM_SIZE - 1, "hello server,我是另一个进程,正在和你通信,我的pid:%d count: %d",
                 getpid(), count++);
        sleep(1);
    }
    strcpy(shmaddr, "quit");
 
    // 去关联
    int m = shmdt(shmaddr);
    assert(m != -1);
    (void)m;
 
    return 0;
}

运行结果

首先，我们看到的是，两个进程的key值相同，且shmserver在输入了quit后，进程退出，shmclient也退出。 

三、共享内存的特点

优点：共享内存是所有进程间通信速度是最快的，因为共享内存是被双方所共享，只要写入对方就能立即看到，能大大减少数据的拷贝次数。

具体说明：

管道：我们知道，管道的本质是一个文件，所以我们必须像使用文件那样去使用管道，即我们想要通信就必须调用系统接口。具体如下图：

需要通过键盘输入到自己定义的缓冲区char buffer[]，将数据拷贝到buffer中，调用write接口在把buffer里的数据拷贝到管道里，另一进程也有定义buffer缓冲区，调用read读取把数据从管道里读取到buffer里，再把数据显示到显示器上。

从上图，我们看到：使用管道要进行四次拷贝。 

共享内存：只需要两次拷贝。

缺点：与管道相比，共享内存没有访问控制，会出现数据不一致问题。即：读取的一方不会因为内存中没有数据或数据还没有写入而停止读取，写入的一方也不会考虑另一方是否读取，而会一直写入。如果想做到访问控制需要用到信号量或使用管道，对共享内存进行保护。

四、信号量

1、相关概念

1、临界资源：我们把多个进程（执行流）看到的公共资源称为临界资源或互斥资源。

2、临界区：我们把自己的进程中，访问临界资源的那部分代码称为临界区。

所以说，如果我们不加保护地访问了临界资源，那么多个执行流在运行时会互相干扰，而在非临界区多个执行流互不影响。

3、互斥：为了更好地保护临界资源，我们要让多个执行流，在任意时刻，只允许一个执行流进入临界资源，去访问临界资源，这种方式就称为互斥。

4、原子性：只要两态，要么不做、要么做完，没有中间状态。

2、信号量概念

引入：为了保护共享资源，我们必须保证进程间是互斥的。如果在同一时刻，不同的执行流要访问的是临界资源的不同区域，那么我们是允许它们同时进入共享内存进行资源访问的。比如，临界资源中有10个区域，那么我们最多就可以同时让10个执行流进入进行资源访问（这10个执行流能够并发地访问临界资源）。而当第11个执行流想要进入时，它就必须要等待，只有它需要的区域没有执行流在访问时，它才能去访问临界资源。

这时，我们就使用了信号量来对临界资源进行保护。

信号量：信号量的本质是一个计数器，通常用来表示临界资源中，资源数的多少。申请信号量实际上就是对临界资源的预定机制。信号量主要用于同步和互斥。

比如，还是上面的例子，信号量会是10，当有不同的10个执行流（访问临界资源的10个不同区域）想要访问临界资源时，它们会先申请信号量（信号量--），然后操作系统一定会在共享内存中为执行流预留好它想要的资源，可以随时访问。而当第11个执行流去申请信号量时，信号量为0，所以该执行流还无法访问临界资源。

只有当其中的一个执行流访问完临界资源，释放信号量后（信号量++），第11个执行流才能够申请信号量，去访问临界资源。