共享内存&管道通信

小嘎豆点

于 2025-02-26 12:46:14 发布

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文章标签：服务器运维

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一、共享内存：

原理是多个进程可以访问同一块内存区域，这样数据不需要在进程间复制，因此效率很高。不过，由于共享内存没有内建的同步机制，所以需要配合互斥锁或信号量来避免竞争条件。

1.共享内存实现原理：

内存共享：通过shmget创建共享内存段，shmat将其映射到进程地址空间

同步机制：使用信号量保证读写顺序：

父进程获取锁（P操作）-> 写入数据 -> 释放锁（V操作）

子进程获取锁 -> 读取数据 -> 释放锁

数据流动：直接通过内存地址访问，无数据拷贝

清理机制：父进程最后删除共享内存和信号量

2.共享内存代码：

3.关键思想：

零拷贝：直接内存访问，性能极高

显式同步：必须通过额外机制（信号量）保证数据一致性

生命周期管理：需要显式删除共享资源

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

// 定义信号量操作函数
void sem_op(int semid, int num, int op) {
    struct sembuf sb;
    sb.sem_num = num;
    sb.sem_op = op;
    sb.sem_flg = 0;
    semop(semid, &sb, 1);
}

int main() {
    // 创建共享内存（1KB）
    int shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | 0666);
    char* shm = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);

    // 创建信号量（初始值为1）
    int semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 0666);
    semctl(semid, 0, SETVAL, 1);

    if (fork() == 0) { // 子进程
        sem_op(semid, 0, -1); // P操作（获取锁）
        printf("Child read: %s\n", shm);
        sem_op(semid, 0, 1);  // V操作（释放锁）
        shmdt(shm);
    } else {          // 父进程
        sem_op(semid, 0, -1); // P操作
        strcpy(shm, "Hello via Shared Memory!");
        sem_op(semid, 0, 1);  // V操作
        wait(NULL);
        shmdt(shm);
        shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 清理
        semctl(semid, 0, IPC_RMID);
    }
    return 0;
}

共享内存的例子中使用信号量来确保读写顺序，父进程先写，子进程后读。

函数解读

sem_op 函数：用来操作信号量。

信号量用于同步访问共享资源，防止并发访问产生问题（例如竞争条件）。
sem_num 表示操作的信号量的编号（此处我们只有一个信号量，所以是 0）。
sem_op 的值可以是负数（P 操作，表示等待获取锁），或者是正数（V 操作，表示释放锁）。
sem_flg 是信号量操作的标志，通常为 0。
semop 是用于执行信号量操作的系统调用。

shmget：创建或获取一个共享内存段。

IPC_PRIVATE：表示该共享内存是私有的，仅在当前进程和它的子进程之间使用。
1024：共享内存段的大小，单位是字节。
IPC_CREAT | 0666：如果共享内存段不存在，则创建一个新段，权限为 0666（所有用户都可以读写）。

shmat：将共享内存段连接到当前进程的地址空间。

shmid：共享内存段的标识符。
NULL：让操作系统自动选择共享内存连接的地址。
0：指定默认的连接选项，表示允许读写。

semget：创建或获取一个信号量集。

IPC_PRIVATE：表示这是一个私有的信号量集，通常只有当前进程及其子进程能访问。
1：指定信号量集中的信号量个数，这里只有一个信号量（0）。
IPC_CREAT | 0666：如果信号量不存在，则创建一个新的信号量，权限为 0666。

semctl：控制信号量集的操作。

semid：信号量集的标识符。
0：指定要操作的信号量的编号（此处只有一个信号量，所以编号为 0）。
SETVAL：设置信号量的值。
1：将信号量的初始值设为 1，表示信号量初始为可用状态。

shmdt：断开与共享内存的连接，释放资源。

wait：父进程等待子进程结束，确保子进程先完成读取操作再退出。

shmctl：删除共享内存段，清理资源。`IPC_RMID` 表示删除共享内存。

semctl：删除信号量集，清理资源。`IPC_RMID` 表示删除信号量。

二、管道

1.管道：

管道分为匿名管道和命名管道，匿名管道通常用于父子进程之间的通信，是单向的，数据通过内核缓冲区传输，适合小规模数据。

确保没有死锁或竞争条件。

2.管道代码

#include <unistd.h>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    int fd[2];
    char buf[256];
    
    pipe(fd); // 创建匿名管道

    if (fork() == 0) { // 子进程
        close(fd[1]);  // 关闭写端
        read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        printf("Child received: %s\n", buf);
        close(fd[0]);
    } else {          // 父进程
        close(fd[0]);  // 关闭读端
        const char* msg = "Hello via Pipe!";
        write(fd[1], msg, strlen(msg)+1);
        close(fd[1]);
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

管道例子中，父进程关闭读端，子进程关闭写端，正确使用文件描述符。

3.pipe()

pipe() 创建了一个管道，它包含两个文件描述符，fd[0] 用于读取数据，fd[1] 用于写入数据。

在 fork() 后，父进程和子进程共享这两个文件描述符。具体来说：

子进程通过 fd[0] 读取数据，父进程通过 fd[1] 写入数据。

pipe() 创建管道时，操作系统会自动为我们打开管道的读端和写端，并将其分别赋值给 fd[0] 和 fd[1]。

问题：为什么要分别关闭 `fd[1]` 和 `fd[0]`？

在进程间通信中，我们通常需要根据管道的方向（读或写）来管理文件描述符。关闭不必要的文件描述符，可以避免不必要的操作，并保证数据流的正确性。

三、管道&共享内存对比分析

特性	共享内存	管道
数据拷贝	零拷贝	两次拷贝（用户->内核->用户）
最大传输量	仅受内存限制	默认64KB（可配置）
同步机制	需要显式同步（信号量/锁）	内置流量控制
进程关系	任意进程	必须存在亲缘关系
使用场景	大数据量、高性能需求	小数据、简单通信
复杂度	高（需管理同步和生命周期）	低（自动管理）