Linux操作系统~基于systemV共享内存的进程间通信

目录

一.进程间通信有哪些方式

二.什么是systemV

三.共享内存-双向通信-大致实现思路

四.4个函数about共享内存

1.shmget函数-创建

 ftok函数

​编辑

 e.g.

ipcs/ipcrm指令（ipc资源会被回收吗）

2.shmctl函数-删除/释放

3.shmat函数-挂接

4.shmdt函数-去挂接

5.e.g.

五.总结/共享内存的特性

Q：为什么共享内存的大小建议是4KB整数倍？

六.共享内存的内核数据结构

Q：为什么我们看到的shmid是0,1,2,3,4递增的呢？

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一.进程间通信有哪些方式

首先我们先来看一下进程间通信总共有哪些方式？

管道

1. 匿名管道pipe
2. 命名管道

System V IPC

1. System V 消息队列
2. System V 共享内存
3. System V 信号量

POSIX IPC

1. 消息队列
2. 共享内存
3. 信号量
4. 互斥量
5. 条件变量
6. 读写锁

这里我讨论的是基于systemV共享内存的进程间通信

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二.什么是systemV

        命名管道和匿名管道都是基于文件的通信方式，还有systemV标准的通信方式：

1. 在OS层面专门为进程间通信设计的一个方案
2. OS不相信任何用户，给用户提供功能的时候，采用系统调用
3. System V进程间通信，一定会存在专门用来通信的接口(system call)

在同一主机内的进程间通信方案——system V方案

注意进程间通信的本质：让不同进程看到同一份资源

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三.共享内存-双向通信-大致实现思路

1.通过某种调用,在内存中创建一份内存空间

2.通过某种调用,让进程（参与通信的多个进程）“挂接”到这份新开辟的内存空间上（挂接就是通过页表映射到这片物理空间）-让不同的进程看到了同一份资源

3.不用共享内存后，我们需要去关联（去掉页表中的映射）

4.释放共享内存

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四.4个函数about共享内存

1.shmget函数-创建

用于创建一个共享内存

• key:用来唯一表示这个共享内存块（就像路径+文件名），需要用户自己设定。我们可以调用ftok函数，将自定义路径名和项目id，经过算法转换成一个唯一的key，这个key会设置到管理shm共享内存的数据结构中（注意这里的key和shmid是不一样的）。

注：

key_id实际上是一个有符号整数

key只是用来在系统层面进行标识唯一性的，不能用来管理shm

shmid是OS给用户返回的id，用来在用户层面对shm进行管理

        如果硬是要类比的话，shmid就像是文件描述符，key就像是struct_file的地址，OS是使用shmid对struct_file进行管理的

• size:共享内存大小，建议是4KB的整数倍
• shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的
• 返回值：shmid，管理当前共享内存的id；成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1

这里常用两个权限标志：

1. IPC_CREATE：不存在则创建：如果单独使用IPC_CREAT,或者flg为0:创建一个共享内存，如果创建的共享内存已经存在，则直接返回当前已经存在的共享内存。（基本不会空手而归）
2. IPC_EXCL(单独使用没有意义)

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 ftok函数

pathname:路径名

proj_id:自定义项目名ID

        路径名+项目名ID应该是唯一的，通过这两个参数生成的key也就是唯一的了，用于唯一标识共享内存块

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 e.g.

1.生成同一个key

我们在server和client中使用同一个获取key值的方法ftok（并且传入相同的路径和项目ID），这样也就保证了两个不同的进程可以看到同一份资源。

int main()
{
    key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    if(key < 0){
        perror("ftok");
        return 1;
    }
 
    printf("%u\n", key);
 
    return 0;
}

2.创建一个共享内存

int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666); //创建全新的shm，如果和系统已经存在ID冲突，我们出错返回，这个0666表示共享内存的权限

if(shmid < 0){
    perror("shmget");
    return 2;
}

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ipcs/ipcrm指令（ipc资源会被回收吗）

ipcs可以看到systemV进程通信设施状态的指令（信号量，共享内存，消息队列都属于ipc资源）

1. ipcs -s可以显示信号量的状态
2. ipcs -m显示共享内存的状态
3. ipcs -q显示消息队列的状态

        systemV的IPC资源，生命周期是随内核的，只能通过，程序员显示的释放(释放IPC资源的指令或者system call系统调用)或者是OS重启。文件，堆空间，进程退出的时候，这些资源都会被操作系统回收，但是IPC资源不会。

ipcrm指令：

用于删除ipc资源参数：

-M   以shmkey删除共享内存

-m   以shmid删除共享内存

-Q   以msgkey删除消息队列

-q    以msgid删除消息队列

-S    以semkey删除信号量

-s    以semid删除信号量

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2.shmctl函数-删除/释放

• shmid:前面shmget函数的返回值,描述共享内存数据结构中的shmid
• cmd:cmd指令，我们这里只用删除指令IPC_RMID
• *buf：操作系统用于描述当亲共享内存的数据结构

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

printf("key: 0x%x, shmid: %d -> shm delete success\n", key, shmid);

这样就能够删除shmid对应的共享内存（释放空间）

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3.shmat函数-挂接

• shmid:前面shmget函数的返回值,描述共享内存数据结构中的shmid
• shmaddr:挂接到哪个位置，一般设为NULL（我们自己不太清楚，但是操作系统清楚）
• shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的，我们一般传0
• 返回值：成功返回创建共享内存的起始地址（虚拟地址），就像是malloc的返回值

char *mem = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);

printf("attaches shm success\n");

这样就得到了一个指向共享内存的地址mem

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 4.shmdt函数-去挂接

        并不是释放共享内存，而是删除共享内存和进程的关系（删除进程页表上进程虚拟地址和共享内存物理地址映射的页表项）

• shmid:前面shmget函数的返回值,描述共享内存数据结构中的shmid
• shmaddr:去挂接哪个位置，一般不设置，用缺省值（我们自己不太清楚，但是操作系统清楚）
• shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的，我们一般不传

    shmdt(mem);

这样当前进程共享内存的挂接就解除了

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 5.e.g.

这里模拟实现一个用共享队列进行通信的服务端和客户端。服务端读数据，客户端写数据

server.c

#include 
#include 
#include 
#include 
 
#define PATH_NAME "./"  //用于ftok函数，表示当前的路径名，路径名+项目ID应该是唯一的，随之生成的key也就是唯一的
#define PROJ_ID 0x1234  //用于ftok函数，表示当前的路径名，路径名+项目ID应该是唯一的，随之生成的key也就是唯一的
#define SIZE 4097
 
int main()
{
    key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    if(key < 0){
        perror("ftok");
        return 1;
    }
 
    int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666); 
    //创建全新的shm，加上了IPC_EXCL选项，如果和系统已经存在ID冲突，则出错返回，这个0666表示共享内存的权限
    if(shmid < 0){
        perror("shmget");
        return 2;
    }
 
    printf("key: %u, shmid: %d\n", key, shmid);
    //sleep(1);
 
    char *mem = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);  //将共享内存挂接到当前进程
    printf("attaches shm success\n");
    //sleep(15);
 
    //此处进行通信逻辑，直接像数组一样对共享内存进行操作即可，服务端进行读操作
    while(1){
        sleep(1);
        printf("%s\n", mem); //server 认为共享内存里面放的是一个长字符串 
    }
 
    shmdt(mem);  //去挂接
 
    printf("detaches shm success\n");
    //sleep(5);
 
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);  //释放共享内存
    printf("key: 0x%x, shmid: %d -> shm delete success\n", key, shmid);
 
    //sleep(10);
 
    return 0;
}

client.c

#include 
#include 
#include 
#include 
 
#define PATH_NAME "./"
#define PROJ_ID 0x1234
#define SIZE 4097
int main()
{
    key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
    if(key < 0){
        perror("ftok");
        return 1;
    }
 
    printf("%u\n", key);
 
    //client这里只需要进行获取即可,只需要加上IPC_CREATE选项即可
    int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT);
    if(shmid < 0){
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    char *mem = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
    //sleep(5);
    printf("client process attaches success!\n");
 
    //此处进行通信逻辑，直接像数组一样对共享内存进行操作即可，客户端进行写操作，每隔两秒，多写入一个字母
    char c = 'A';
    while(c <= 'Z'){
        mem[c-'A'] = c;
        c++;
        mem[c-'A'] = 0;
        sleep(2);
    }
 
 
    shmdt(mem);
    //sleep(5);
    printf("client process detaches success\n");
 
    //client不需要释放共享内存的空间，由服务端释放
 
    return 0;
}
 

运行结果：我们2s写一次，1s读一次，我们读的时候并没有把数据拿走，所以会读两次

        这里server会一直读取共享内存中的内容，即使共享内存中没有内容可以读，所以不会退出while循环，也不会执行去挂接和释放共享内存的操作。（需要后期自己用ipcrm指令删除，也可以考虑在循环中定义一个计数器，几s后自动退出循环，进行去挂接，释放共享内存的操作）

        这里我们读的时候直接读的是mem这个连续的地址空间，和前面管道中的不同，管道是基于文件的，在一次打开中，读过的内容不会再读了。管道中的内容都不会像普通文件一样保存在磁盘中，读取过的数据就会失效，不能重复读取（包括匿名管道和命名管道）

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五.总结/共享内存的特性

1.我们在使用共享内存的时候，没有调用类似pipe or fifo中的read过样的接口，因为匿名管道和命名管道都是基于文件的，read和write也是基于文件的，本质是将数据从内核拷贝到用户，或者从用户拷贝到内核。共享内存并不是基于文件的。

2.共享内存一旦建立好并映射进自己进程的地址空间，进行通信的进程就可以直接看到该共享内存，就如同自己malloc的空间一般，不需要任何系统调用接口，直接当数组用都行。所以共享内存是所有的进程间通信中速度最快的!（共享内存最多拷贝一次，管道可能要4次或者更多）

3.当client没有写入，甚至没有启动的时候，server端也会直接读取shm，不会像管道那样等待client写入。共享内存不提供任何司步或者互斥儿制，需要程序员自行保证数据的安全!

Q：为什么共享内存的大小建议是4KB整数倍？

        共享内存在内核中申请的基本单位是页，内存页，大小为4KB，内核给你的大小是4KB的整数倍。比如我申请4097个字节->内核会给你4096byte*2的空间

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六.共享内存的内核数据结构

用户层：是操作系统层的子集

ipc_perm中存放的uid是用户id，gid是组id，key就是我们传入的用于唯一标识共享内存块的id。

除此之外还有当前共享内存的一些基本信息

在内核中，所有的ipc资源都是通过数组组织起来的，这三种资源结构体都不一样，怎么放在同一个数组中呢？原因就是下面的ipc_perm

SystemV三种通信方式的ipc资源，描述ipc资源的数据结构很相似，而且第一个成员都是ipc_perm，这个ipc_perm是完全相同的。

这个数组实际上是一个ipc_perm*类型的数组，也就是一个指针数组，然后根据对应的类型强制类型转换。（用C语言实现的切片技术）

Q：为什么我们看到的shmid是0,1,2,3,4递增的呢？

        shmid为什么是0,1,2,3,4递增的呢？因为说白了这个shmid就是ipc_perm*数组的下标，共享内存是ipc资源，所有ipc资源都是用一个ipc_perm*数组管理的，shmid就是直接取了这个数组的下标。