Linux - 进程间通信(system V共享内存)

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一、概念

共享内存（Shared Memory）允许多个进程共享相同的物理内存（目的：不同进程看到同一份资源）。它是实现进程间通信（IPC）的一种非常高效的方式，因为进程可以直接对内存进行存取，而无需通过消息传递等其他通信方式，从而减少了数据复制和传输的开销。

二、实现过程

1. 创建共享内存
2. 通过页表映射

三、通过共享内存实现通信的相关函数

1、shmget
（1）功能：在Linux系统中用于获取共享内存段标识符或创建共享内存对象的函数。
（2）函数原型：

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

（3）参数：
key：共享内存的键值，用于唯一标识一个共享内存段。

这个键值通常由ftok函数生成，也可以设置为IPC_PRIVATE来创建一个仅由创建进程及其子进程可见的共享内存段。
ftok函数
函数原型：

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

参数

pathname：这是一个路径名字符串，指向一个已经存在的文件或目录。
proj_id：这是一个用户指定的整数，也称为项目标识符。

返回值：

通过参数来生成唯一的key。

size：共享内存段的大小，以字节为单位。这个大小在创建共享内存段时指定，并且必须足够大以容纳需要共享的数据。
shmflg：共享内存的权限标志和创建标志。这个参数可以包含多个标志位，常用的有IPC_CREAT（如果共享内存段不存在则创建它）、IPC_EXCL（与IPC_CREAT一起使用时，如果共享内存段已存在则返回错误）、以及表示权限的八进制数（如0666表示所有用户都有读写权限）。

（4）返回值
成功：返回一个非负整数，即共享内存段的标识符（shmid）。这个标识符在后续的共享内存操作中用于引用该共享内存段。
失败：返回-1，并设置errno以指示错误原因。常见的错误代码包括EINVAL（无效的参数，如无效的key或size值）、ENOMEM（系统内存不足，无法创建共享内存段）、EACCES（无权限创建或访问共享内存段）等。

2、shmat
（1）功能：Linux系统中用于将共享内存段连接到当前进程的地址空间中的函数（进行映射）。
（2）函数原型

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

（3）参数

1. shmid：共享内存标识符，由shmget函数返回。它用于唯一标识一个共享内存段。
2. shmaddr：指定共享内存连接到当前进程的地址空间的起始地址。如果这个参数为NULL，系统会自动选择一个合适的地址。
3. shmflg：指定连接共享内存的权限标志。常用的权限标志有SHM_RDONLY（只读连接）等。如果此参数为0，则表示默认权限（通常是可读写）。

（4）返回值

1. 成功：返回一个指向共享内存的指针，该指针是共享内存在当前进程地址空间中的起始地址。
2. 失败：返回(void *) -1，并设置errno以指示错误原因。

3、shmdt
（1）功能：用于解除共享内存和进程之间映射关系的函数。
（2）函数原型

int shmdt(const void *shmaddr);

（3）参数

shmaddr：这是一个指向共享内存映射在进程虚拟地址空间中起始地址的指针。该地址是之前通过shmat函数成功映射共享内存后返回的。

（4）返回值

1. 成功：返回0，表示已成功解除共享内存和进程之间的映射关系。
2. 失败：返回-1，并设置errno以指示错误原因。常见的错误代码包括EINVAL，表示传入的参数shmaddr无效。

4、shmctl
（1）功能：用于控制共享内存的函数。
（2）函数原型

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

（3）参数

1. shmid：共享内存标识符，这是由shmget函数创建或获取共享内存时返回的标识符，用于唯一标识一个共享内存段。
2. cmd：这是一个控制命令，用于指定shmctl函数要执行的操作。常见的控制命令包括IPC_STAT（获取共享内存的状态）、IPC_SET（设置共享内存的某些属性，如权限等，但通常不使用，因为这会影响其他进程）、IPC_RMID（删除共享内存段）等。
3. buf：这是一个指向shmid_ds结构的指针，该结构包含了共享内存的状态和权限等信息。根据cmd参数的不同，buf指针的作用也会有所不同。例如，当cmd为IPC_STAT时，buf用于接收共享内存的状态信息；当cmd为IPC_SET时（尽管通常不推荐使用），buf用于指定要设置的共享内存属性；当cmd为IPC_RMID时，buf可以为NULL，因为删除操作不需要额外的信息。

（4）返回值

1. 成功：返回0，表示shmctl函数成功执行了指定的控制操作。
2. 失败：返回-1，并设置errno以指示错误原因。常见的错误代码包括EACCES（无权限执行该操作）、EINVAL（无效的参数，如无效的shmid或cmd值）、EIDRM（共享内存段已删除）等。

四、共享内存相关指令

1、ipcs - m
查看共享内存相关信息。
2、ipcrm -m shmid
删除shmid的共享内存。

五、通过共享内存实现不同进程通信

ShareMemory.hpp
共享内存公共类

#pragma once

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdalign.h>
#include <unistd.h>
#include <string>
#include <string.h>

//路径
const std::string gpath = "/home/xzy/112/dir7";
//id
int gprojId = 0x6666;
//大小
int gshmsize = 4096;
//权限
mode_t gmode = 0600;

//内存共享公共类 
class ShareMemory
{
private:
    // 获取_shmid
    void CreateShmHelper(int shmflg)
    {
        // 获取_key
        key_t _key = ftok(gpath.c_str(), gprojId);
        if (_key == -1)
        {
            std::cerr << "ftok err" << std::endl;
            return;
        }

        std::cout<<_key<<std::endl;
        // 获取_shmid
        _shmid = shmget(_key, gshmsize, shmflg);
        std::cout<<_shmid<<std::endl;
        if (_shmid == -1)
        {
            std::cerr << "shmget err" << std::endl;
            return;
        }
    }

public:
    ShareMemory() : _shmid(-1), _key(0), _addr(nullptr) {}
    ~ShareMemory() {}
    // 创建共享内存
    void CreateShm()
    {
        if (_shmid == -1)
        {
            CreateShmHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode);
        }
    }

    // 获取共享内存
    void GetShm()
    {
        CreateShmHelper(IPC_CREAT);
    }

    // 将共享内存挂接到进程地址空间上建立映射关系
    void AttachShm()
    {
        _addr = shmat(_shmid, nullptr, 0);
    }

    // 解除映射关系
    void DetachShm()
    {
        int ret = shmdt(_addr);
        if (ret == -1)
        {
            std::cerr << "shmdt err" << std::endl;
        }
    }

    // 删除共享内存
    void DeleteShm()
    {
        int ret = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
        if (ret == -1)
        {
            std::cerr << "shmctl err" << std::endl;
        }
    }

    // 返回共享内存指针
    void *GetAddr()
    {
        return _addr;
    }

    // 共享内存的信息
    void ShmMeta()
    {
        shmid_ds ds; // 作为输出型参数
        int ret = shmctl(_shmid, IPC_STAT, &ds);
        if (ret == -1)
        {
            std::cerr << "shmctl err" << std::endl;
            return;
        }
    }

private:
    int _shmid; //shmid
    key_t _key; //key
    void *_addr;//指向进程地址的指针
};

ShareMemory shm;    //全局对象

Server.cc
1、创建+使用
2、读共享内存信息
3、删除共享内存

#include"ShareMemory.hpp"

int main()
{
    //创建共享内存
    shm.CreateShm();

    //挂接共享内存
    shm.AttachShm();

    //获取地址
    char *out = (char *)shm.GetAddr();

    while(true)
    {  
        //不断获取内存资源
        printf("%s\n",out);
        sleep(5);
    }

    
    //取消挂接
    shm.DetachShm();

    //删除共享内存
    shm.DeleteShm();

    return 0;
}

Client.cc
1、获取+使用
2、写入共享内存

#include"ShareMemory.hpp"


int main()
{
    //获取共享内存
    shm.GetShm();

    //挂接共享内存
    shm.AttachShm();

    //获取地址
    char *in = (char*)shm.GetAddr();

    while(true)
    {
        //输入
        std::string s;
        std::cin>>s;
        //拷贝到内存中
        strncpy(in,s.c_str(),s.size()+1);
        sleep(1);
    }

    
    //取消挂接
    shm.DetachShm();


    return 0;
}

六、共享内存的特点

1、通信速度快

2、让不同进程在各自的用户空间使用共享内存。
3、不存在保护机制，需要自己实现（可通过信号量、管道实现保护）。