Linux——进程通信之共享内存

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一.  回顾上文

二.共享内存

1.定义

2.特点：

3.实现步骤：

如下为成功链接共享内存使用权的完整步骤：

4.函数介绍

        4.1shmget函数

        4.1.2参数介绍       

        4.2ftok函数：

        4.2.1参数介绍

                关于ftok(); shmget();函数的代码实验:

        代码运行： 

                举个生活中的例子：

                运行结果：

                所以有两种方法解决: 

               4.3shmctl();——用于删除共享内存空间

               参数介绍：

               返回值:

              代码演示： 

    接下来就是第三步：关联各进程和共享内存空间的之间的“羁绊”！

            4.4shmat();——获取共享内存空间的地址

         参数介绍：

        代码演示： 

        运行结果：

         4.6 shmdt();——取消与共享内存空间的关联

         代码演示：

        最后就是双方的数据通信了！

 二.最终代码图：

        Comm.hpp:

        Sever.cc:

        Client.cc: 

        运行结果：

三.总结：

共享内存相比较于管道而言，两个进程在进行进程间通信时，需要经历几次数据的拷贝呢？

共享内存的缺点:

一.  回顾上文

        我所说的进程间数据通信指的是：以两个进程为例，一个进程只写，另一个进程只读的方式进行数据通信，它们的实现是单向的。

        1.而管道就是进程通信的一种方式，它是一种半双工通信方式，即数据是单向的(一个进程读，另一个进程写)。

        2.管道分为匿名管道和命名管道。

        3.匿名管道是用来让具有血缘关系的父子进程进行专门的数据通信，使用的是pipe函数创建管道，进而使用fork函数创建出子进程，便可开始数据通信。但是匿名管道需要关闭相应的文件描述符，父进程要么只读，要么只写，子进程也是一样。

        4.命名管道是在内存中对应一个缓冲区，读进程从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读走，它就会被丢弃，释放空间以便于让写进程能够写更多的数据。而命名管道可以让没有任意的两个进程也可以进行数据通信，使用的方式是mkfifo函数创建管道文件，之后便是以文件的形式进行IO传输。

        除了管道之外，便是要学习另外一种数据通信的方式：System V。而System V通信中最主要常考的就是共享内存了，所以我们接下来讲述的重点是共享内存。

         上图中，这两个进程都是独立的，在系统底层它们都有各自的内核数据结构(struct_task)——简称PCB，也有各自的进程地址空间(mm_struct)，虽然它们的代码数据都在内存中，但互不影响干扰，所以是独立的。

        而想让两个毫不相干的进程采取通信，就必须要让两个进程看到同一份公共的资源，而今天的这份公共资源就是——共享内存。

二.共享内存

1.定义

        共享内存是存放在物理内存中的一段空间，该空间由操作系统分配与管理。与文件系统类似的是，操作系统在管理共享内存时，不仅仅有内存数据快，同时还会创建相结构体来记录该共享内存属性，以便于管理。

        因此共享内存并不只有一份，我们可以根据需求申请多个共享内存。

2.特点：

        相较于管道而言，共享内存不仅能够用于非父子进程之间的通信，而且访问数据的速度也比管道要快。这得益于通信直接访问内存，而管道则需要先通过操作系统访问文件再获得内存数据。

3.实现步骤：

        有了共享内存，就可以让两个进程指向这块共享空间资源了。于是进行第二步，让各个进程拥有这份公共资源的使用权限，它们才可以进行数据通信。

        但是想拥有共享内存的使用权并不简单，需要执行多个步骤才能实现。

如下为成功链接共享内存使用权的完整步骤：

4.函数介绍

         4.1shmget函数

        shmget函数创建共享存储空间并返回一个共享存储标识符，成功完成后，shmget () 应返回一个非负整数，即共享内存标识符:否则，它应返回-1 并设置 Errno以指示错误。

        4.1.2参数介绍
       

        如上shmget函数参数: 三个参数，第二个是设置共享内存空间的大小，第三个参数是标志位，类似于open函数的O_RDONLYO 、O_CTREAT等宏定义选项。

        下图为第三参数的默认选项，有两个：IPC_CREAT、IPC_EXCL

IPC_CREAT：若没有，则创建共享内存空间；若该该共享内存空间存在，则会获取。

IPC_EXCL：   不能单独使用，必须搭配IPC_CREAT。

合起来的作用就是： 如果空间不存在，就创建；若存在该空间，就返回错误error。

        而第一个参数key_t key，该参数是ftok函数的返回值，所以想要使用key，就得先获取ftok函数的返回值。

        4.2ftok函数：

         4.2.1参数介绍

        ftok函数有两个参数，第一个参数与open函数的第一参数一样，都需要指定路径的文件名；第二参数id，它的取值范围是0-255之间的数值，在这个范围内随意取即可。

        使用ftok函数成功后，返回一个key_t类型的键值，若函数使用失败出错，返回-1 。

关于ftok(); shmget();函数的代码实验:

        注：在该实验中，用两个.cc文件模拟了两个进程，使用一个头文件去封装了ftok、shmget函数：

代码运行： 

        通过结果发现，两个进程的key地址都相等，这是因为这两个进程在调用getKey()时，ftok函数的参数是一样的，所以它们被分配的是同一个key值。

        既然两个进程拥有相同的Key值，这就为它们能够看到同一份共享内存空间打下了坚实的基础，之后便是创造共享内存空间了，在这里我采用的是Sever进程去创建它，这个没有限制，哪个进程去创建它都可以。但是既然有一个进程创建了，另一个进程直接获取该共享空间即可，没必要再去创建一个,前人栽树(Sever进程)，后人乘凉即可(Client进程)。 

举个生活中的例子：

        我请一个朋友去饭店吃饭，去饭店订了个空包间3号厅，准备好一切工作后，我通过微信发位置信息给朋友，让他来xx饭店3号包间吃饭。朋友收到信息后，按照约定时间来到了饭店，他需要找到这个包间，于是他将包间信息说与服务员听，服务员带着他来到了包间，找到了我，然后我们开始吃饭聊天。

        在这个例子中，我就好比是Server进程，我开辟了一块属于我俩的共享内存空间，我将位置信息发给他(Client进程)，他获取(getShm())到这个饭店包间的位置信息，他拿着具体包间信息( key值 )给服务员看，服务员带着他来到了包间门前(共享内存空间)，他(OS系统)会拿着Client的key和包间的key进行对比，只要一样，client就能进入到包间中。
key是共享内存空间被系统认识的唯一标识符，当一个进程A创建了共享内存空间，另一个进程B只要拿着和进程A一样的key，它们就能够进入同一个共享内存空间中去。

        key是用来表示要shmget，设置进入共享内存属性中的！

运行结果：

         如上图:两个进程的shmid都为1，表明server进程成功创建了共享内存空间，而client进程也成功获取到了server创建的内存空间，那么第1步已完成！该进行第2步: 让各进程进行页表映射连接共享内存空间了。

        这里需要注意一点: 当第二次运行Server进程时，由于第一次的成功创建共享内存，所以第二次的运行会报错shmget函数的返回值问题，错误表示“文件已存在！” 让我们无法运行，这是因为shmget函数的第三参数IPC_CREAT | IPC_EXCL导致的，因为第一次创建成功的shmid的生命周期是跟随OS系统的，而不是跟随进程的——说白了就是shmid的值不会随之进程的结束而被销毁，只有当我们关闭了Linux系统，它才会消失。

        所以有两种方法解决: 

1.就是关闭Linux系统再重启便可以运行./server；

2.就是采用指令: ipcrm -m shmid(填它的数值)；

ipcs指令意为显示共享内存空间、消息队列、信号量的属性面板：

         从上图可知：该指令显示了共享内存空间的key的地址、shmid值、owner值(拥有者)。剩下的属性后面会谈到！

        使用ipcrm -m shmid指令就可以删除掉第一次运行成功的shmid值，然后再一次运行Sever进程时，就可以运行成功。但是删除掉shmid值后，第一次创建出来的共享内存空间也会被相应的删除，因为第二次创建出的shmid值为32769，与第一次32768并不一样。

                  其实共享内存==物理内存块(共享内存空间是存储在物理内存中的)+共享内存的相关属性!!

        举人例子，当我们在学C语言的过程中，采用malloc创建堆区空间进行动态存储，比如我们采用指针指向开辟了1024字节的空间，而当我们free的时候，系统会回收掉指针指向的这块空间地址，而指针指向的只是这块地址的首地址，它是怎么知道这块地址空间有多大，需要回收多大字节的空间？具体的原理是怎么实现的？

        因为我们需要开辟的是1024字节大小的空间，而CPU会为其开辟大于1024字节的空间，可能会开1034字节，多出来的10字节空间会存放这块空间的相关属性信息，比如这块空间的起始地址，未尾地字节大小，创建时间.....·；CPU在执行free函数的时候，就是参照着这块堆区空间的相关属性进行精准释放空间的!! !

        所以我们在使用ipcrm -m shmid的指令原理就是系统通过共享内存空间的相关属性shmid去释放这块共享内存空间的。shmid的重要性相当于pid在进程中的重要性。

那么趁热打铁，既然说到了释放共享内存，那么先来学习一下在代码中释放共享内存空间的函数吧：

4.3shmctl();——用于删除共享内存空间

        参数介绍：

1、shmid就是shmget函数返回的共享存储标识符；
2、cmd参数是宏定义参数，共有三个：

        IPC_RMID：常用删除共享内存;

        IPC_STAT:：得到共享内存的状态，把共享内存的shmid ds结构复制到bu中；

        IPC SET: 改变共享内存的状态，把bu所指的shmid ds结构中的uid、gid、mode复制到共享内存的shmid ds结构内。(内核为每个共享存储段维护着一个结构，结构名为shmid ds，里面存放着共享内存的大小，pid，存放时间等一些参数)
3、buf就是结构体shmid ds，一般填nullptr即可。

        返回值:

                成功返回0: 失败返回错误error

代码演示： 

接下来就是第三步：关联各进程和共享内存空间的之间的“羁绊”！

4.4shmat();——获取共享内存空间的地址

 参数介绍：

该函数的参数有三个：
        第一个就是shmget函数的返回值shmid；

        第二个参数建议是用nullptr。 若为NULL,共享内存会被attach到一个合适的虚拟地址空间。不为NULL: 系统会根据参数及地址边界对齐等分配一个合适的地址;

        第三个参数是宏定义选项，不指定的情况下默认使用0即可。

        该函数的返回值为-1，表示获取共享内存空间地址失败，也就无法关联成功。

代码演示： 

        代码解析：因为start是指针，指针在Linux64位下的大小为8字节，所以想要判断指针(8字节)转换为整型int(4字节)的值是否等于-1(判断shmat函数是否成功返回)，在强转的时候就不能转换为4字节,而得找同等大小整型为8字节的long long整型，所以要记住：if((int)start==-1))是错误的！

运行结果：

4.6 shmdt();——取消与共享内存空间的关联

 代码演示：

除了进程双方的数据写入读取外，所有的准备工作已经做好了，接下来总结一下:

1、key_t Creat_Key();——                        用于获取ftok的返回值键值key；

2、int Creat_Shm(key_t k);——               用于创建共享内存空间；

3、int Get_Shm(key_t k);——                  用于让另一个进程获取到共享内存空间；
4、void* attach_Shm(int shmid);——     用于让各个进程获取共享内存空间地址并关联起来；
5、void Dattach_Shm(void* start); —— 用于让各个进程取消与共享内存空间的关联；
6、void void Del_Shm(int shmid)——    用于让创建共享内存空间的进程A释放该空间；

最后就是双方的数据通信了！

        数据通信就很简单了，就是一个往共享内存区域里写内容，一个从共享区域里读取打印内容。代码中的start指针指向的就是开辟出的共享内存空间，把start看作一个缓冲区就行。

        写内容有两种方式，一种是提前写成字符串，往里传就行,如上；另一种是即输即用，如下:

 二.最终代码图：

        Comm.hpp:

#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<cstring>
#include<unistd.h>
#include<cerrno>

#define NAME_ "./tmp/"
#define ID 0x62
#define SIZE 4096

key_t Creat_Key(){
    key_t k=ftok(NAME_,ID);
    if(k<0){
        std::cerr<<"errno:"<<strerror(errno)<<std::endl;
        exit(-1);
    }
    //创建成功
    return k;
}

int Shmet(key_t k,int flags){
    int shmid=shmget(k,SIZE,flags);
    if(shmid<0){
         std::cerr<<"errno:"<<strerror(errno)<<std::endl;
        exit(-2);
    }
    return shmid;
}


int Creat_Shm(key_t k){
    return Shmet(k,IPC_CREAT |IPC_EXCL|0600);
}

int Get_Shm(key_t k){
    return Shmet(k,IPC_CREAT);
}


//关联
void* attach_Shm(int shmid){
    void* start=shmat(shmid,nullptr,0);
    if((long long)start==-1L){
            std::cerr<<"errno:"<<strerror(errno)<<std::endl;
        exit(-4);
    }
    //关联成功
    printf("related successily!\n");
    return start;
}

//去关联
void Dattach_Shm(void* start){
    if(shmdt(start)==-1){
        std::cerr<<"errno:"<<strerror(errno)<<std::endl;
        exit(-5);
    }
    //去关联成功
    printf(" abondon successily !\n");
}


void Del_Shm(int shmid){
    if(shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr)==-1){
           std::cerr<<"errno:"<<strerror(errno)<<std::endl;
        exit(-3);
    }
    //删除成功
    printf("删除共享内存空间\n");
}

        Sever.cc:

#include "Comm.hpp"

int main(){
    key_t k=Creat_Key();
    printf("key:%u\n",k);

    int shmid=Creat_Shm(k);
    printf("shmid:%d\n",shmid);

    //关联
    char* start=(char*)attach_Shm(shmid);
    printf("start:%p\n",start);

    //数据通信
    while(true){
        printf(" Client says:%s\n",start);
        sleep(1);
    }

    Dattach_Shm(start);

    Del_Shm(shmid);
    return 0;
}

        Client.cc: 

#include "Comm.hpp"

int main(){
    int k=Creat_Key();
    printf("key:%u\n",k);

    int shmid=Get_Shm(k);
    printf("shmid:%d\n",shmid);

//关联
     sleep(1);
    char* start=(char*)shmat(shmid,nullptr,0);
    printf("start:%p\n",start);

    int cnt=0;
    const char* s="我是另一个进程，我正在给Sever发消息！";
    while(true){
       snprintf(start,SIZE,"%s:pid:[%d] cnt:[%d]",s,getpid(),cnt++); 
        sleep(1);
    }  
    
    //去关联
    Dattach_Shm(start);

    return 0;
}

 运行结果：

三.总结：

共享内存的优点: 传输速度最快 !
使用共享内存进行进程传输为什么最快?

        原因就是这俩进程不需要建立自己的缓冲区。一一信息直达！

共享内存相比较于管道而言，两个进程在进行进程间通信时，需要经历几次数据的拷贝呢？

        先来看两个进程在管道下的数据拷贝： （注：下图没有考虑C/C++中的stdin流、stdout流）

        从上图看：写进程从写入数据到C缓冲区到管道，再从管道中拿出到缓冲区到读进程共经历了4次的数据拷贝。

（注：下图考虑了C/C++中的stdin流、stdout流）

        从上图看：加上了输入输出流后，数据共经历了4+2=6次的拷贝。

        接着，我们来看看两个进程在共享内存空间中的数据拷贝：仍是先不考虑C的stdin、stdout流

  从上图看：写进程写入数据就直接到了共享内存空间，再从该空间中拿出到读进程共经历了2次的数据拷贝。 

         从上图看：加上了输入输出流后，数据共经历了2+2=4次的拷贝。

共享内存的缺点:

        共享内存没有提供同步的机制，这使得我们在使用共享内存进行进程间通信时，往往要借助其他的手段（如信号量、互斥量等）来进行进程间的同步工作。

        说白了使用共享内存可能会造成进程A正在写数据的过程中，进程B就已经读走了一些，进程A在这次还没有把数据完整的写完，进程B拿了一半就走了，导致了这种通信方式缺乏了数据安全性。

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运行结果:

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