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写在前面的话
System V共享内存原理
System V共享内存的建立
代码实现System V共享内存
创建共享内存shmget()
ftok()
删除共享内存shmctl()
挂接共享内存shmat()
取消挂接共享内存shmdt()
整体通信流程的实现
写在前面的话
上一章我们讲了进程间通信的第一种方式 --- 管道,这一章我们将继续讲解进程间的通信的第二种方式 --- system V共享内存。
在讲解之前,还是先建议去把进程间通信管道的方式和原理搞明白,这样理解起system V共享内存来会简单许多。
System V共享内存原理
共享内存是一种进程间通信(IPC)的机制,允许多个进程共享同一块内存区域,以便它们可以直接读取和写入其中的数据,从而实现高效的数据共享和通信。
在共享内存中,当进程task_struct创建或连接到共享内存段时,操作系统会为每个进程分配一个虚拟地址空间mm_srtuct,将这个虚拟地址通过页表 映射到相同的物理内存区域。这样,多个进程就可以通过自己的虚拟地址访问相同的物理内存,实现对同一块内存的共享访问。通过虚拟地址到物理地址的映射,多个进程可以看到同一个共享内存.
那么如何释放共享内存呢?
也很简单,只需要将每个进程 和 共享内存建立的映射去掉,然后释放掉共享内存即可.
System V共享内存的建立
假设有很多进程都在用共享内存,这样内存中也会出现大量的 共享内存块,所以OS要把这些共享内存块管理起来,方式:先描述再组织,这样要把共享内存属性抽象成数据结构,然后利用一些方式将这些数据结构组织起来.所以:
1. 共享内存 = 共享内存块 + 共享内存块对应的内核数据结构
2.共享内存块一定不属于任何一个进程,而是属于操作系统.
建立共享内存的大体流程如下:
创建共享内存段:使用
shmget()
系统调用来请求创建一个共享内存段。该调用需要指定共享内存的大小、权限和标志等参数,并返回一个唯一的共享内存标识符。连接到共享内存段:使用
shmat()
系统调用将当前进程附加到共享内存段。这个调用将返回共享内存段的地址,并将该地址映射到当前进程的虚拟地址空间。访问共享内存:连接到共享内存的进程可以通过在其地址上执行内存操作,直接读取和写入共享内存段中的数据。进程可以使用指针、数组或结构体等方式在共享内存段中存储和访问数据。
分离共享内存:当进程完成对共享内存的访问后,使用
shmdt()
系统调用将其与共享内存段分离。分离后,进程将无法再访问共享内存段,但共享内存段仍然存在。删除共享内存段:当不再需要共享内存段时,可以使用
shmctl()
系统调用删除它。这个调用需要指定共享内存标识符和特定的控制操作,比如传递IPC_RMID
参数表示删除共享内存段.
具体的使用方法及原理,我们在下面马上讲解。
代码实现System V共享内存
按我们上面所说的,第一步是利用shmget()建立共享内存段,我们来看一下它的用法.
创建共享内存shmget()
这个函数作用是创建并获取一个共享内存。
先说第二个参数,是size,代表的是要创建的共享内存有多大
再来说第三个参数shmflg,代表我们要设置的选项,共有两个选项:
1.IPC_CREATE:创建共享内存,如果底层已经存在,则获取并返回;如果不存在,则创建共享内存然后再返回,
2.IPC_EXCL:单独使用它没有意义,一般和IPC_CREATE合起来使用,见下:
3.IPC_CREATE | IPC_EXCL:如果底层不存在,则创建共享内存并返回;如果底层存在,则出错返回。言外之意,如果返回成功,那么一定是一个全新的内存块!
最后再来说第一个参数 key.
我们利用共享内存通信时会有一个问题,要通信的对方进程,怎么保证对方看到的共享内存就是我创建的呢?毕竟有很多共享内存.
这个我们就需要通过key,key数据是多少不重要,只要保证在系统里唯一即可! 两个通信端A 和 B,只要使用同一个key,便可以找到同一块共享内存。因为key是唯一的,即这个共享内存块也是唯一的!
相当于是给每个共享内存块编了个号,这个号码是唯一的,所以只要拿到了编号,就能找到相同的共享内存块。
那么这个唯一的key值如何得到呢?这里需要用到ftok()函数
ftok()
我们先来看一下函数的使用:
-
pathname
:一个字符串,用于标识一个文件的路径名。通常会选择一个已经存在的文件,因为ftok()
函数将使用该文件的inode编号和proj_id
参数通过算法来生成键值key。 -
proj_id
:一个整数,作为用于生成键的项目标识号。该参数通常取一个非负整数。
然后我们来看一下返回值:
看到如果成功的话,生成的键值被返回,否则-1被返回。
这些说清楚了,我们来用一下吧:
首先四个文件,comm.hpp,里面包含了必要的头文件及宏定义,这个便不再展示了;
Log.hpp是日志文件,上一章我们写了,这里不写也可以,直接cout输出也行。
shmClient.cc中我们写入以下代码:
#include "comm.hpp"
#include "Log.hpp"
int main()
{
key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
Log("create key done",Debug) << " client key : " << k << endl;
return 0;
}
shmServer中拷贝一份代码,然后把输出语句中的client改成server,然后我们编译运行来及看一下效果:
可以发现生成了一样的key值,这样便可以找到同一块共享内存块了.
这样shmget的第一个参数也讲完了,接下来说一下返回值.
返回值是如果建立成功,则返回这段共享内存的标识符,否则返回-1并且错误码被设置。
删除共享内存shmctl()
当我们创建好共享内存后,最后还需要删除它,因为共享内存的生命周期是随内核的!
不关闭的话,只要操作系统一直在运行,那么它就一直存在,占用空间资源。所以必须需要删除.
有两种方法删除:手动指令删除、代码删除
指令删除:
我们首先创建了一个共享内存,然后该进程执行完毕,进程退出。
我们在终端输入
ipcs -m
来查看当前共享内存的使用情况
可以发现确实没有释放掉。然后我们可以利用
ipcrm -m shmid
来删除对应的共享内存,此时我输入这条指令后便没有了这块内存了。
这里提到了perms,这个是权限的意思,我们可以在shmget的第三个选项 加上权限,如下:
int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
此时perms就变成了666.
代码删除
每次手动删除太麻烦了,我们直接卸载程序里到时候自动帮我们删除不更方便吗
所以我们需要用到一个函数shmctl()
-
shmid
:共享内存段的标识符(ID),即通过调用shmget()
函数创建共享内存时返回的shmid
。 -
cmd
:控制命令,用于指定要执行的操作类型。可以使用以下命令之一:-
IPC_STAT
:获取共享内存段的状态信息,将结果存储在buf
参数指向的struct shmid_ds
结构体中。 -
IPC_SET
:设置共享内存段的状态信息,使用buf
参数中提供的值。 -
IPC_RMID
:删除共享内存段,将其标记为删除状态,并在释放最后一个进程的附加段之后销毁。
-
-
buf
:一个指向struct shmid_ds
结构体的指针,用于传递或接收共享内存段的状态信息。
这是struct shmid_ds结构体指针的内容:
struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; // 共享内存的权限信息 size_t shm_segsz; // 共享内存的大小 time_t shm_atime; // 上一次连接共享内存的时间 time_t shm_dtime; // 上一次与共享内存断开连接的时间 time_t shm_ctime; // 上一次修改共享内存的时间 pid_t shm_cpid; // 创建共享内存的进程ID pid_t shm_lpid; // 最后一个操作共享内存的进程ID unsigned short shm_nattch; // 当前连接到共享内存的进程数量 // 其他字段... };
其中第二个参数cmd我们目前只使用第3个IPC_RMID删除共享内存的选项。
第三个参数buf我们暂且不使用,直接传入nullptr。
int n = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);
挂接共享内存shmat()
我们创建好了共享内存,当然需要将进程的地址空间与其挂接上,然后 才能使用,这里使用到了函数shmat().
shmat()
函数接受三个参数:
-
shmid
:共享内存段的标识符(ID),即通过调用shmget()
函数创建共享内存时返回的shmid
。表示你想挂接哪一个共享内存。 -
shmaddr
:共享内存段连接到进程地址空间的首地址。通常将其设置为NULL
,指示系统选择适当的地址。如果想要指定特定的地址,可以传递一个非空的地址值。但不建议这样使用。 -
shmflg
:标志参数,用于指定连接共享内存的选项。常用的选项有:-
SHM_RDONLY
:以只读方式连接共享内存,不允许写入。 -
SHM_RND
:将shmaddr
参数忽略,系统选择一个地址以进行连接。
-
其他选项参考 shmat()
函数的文档以获得更多详细信息。
它的返回值是void*,是一个指向共享内存段的指针,即连接到进程地址空间的首地址。我们需要将结果强转为我们需要的类型,一般为char*,和malloc的使用类似。
所以可以如下这样使用:
char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY);
shmaddr便是连接的进程地址空间的首地址。
取消挂接共享内存shmdt()
删除共享内存时,无论有多少个进程与共享内存连接,都会被直接清理掉,这种方式不太好,所以在删除共享内存前,可以先取消挂接。当挂接数为0时,再释放共享内存。
同样先来看一下用法:
这个参数正好是我们刚才shmat返回的进程地址空间的首地址shmaddr,表示将共享内存从调用进程的地址空间中分离,使得该进程无法再访问该共享内存。
再来看一下返回值:
如果取消挂接成功,则返回0,失败则返回-1.
所以我们可以直接这么使用:
//3.将指定的共享内存,挂接到自己的地址空间
char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY);
//这里就是通信的逻辑
//4.将指定的共享内存,从自己的进程地址空间取消关联
int n = shmdt(shmaddr);
assert(n != -1);
整体通信流程的实现
认识了上面的接口,加上我们在共享内存的建立中所说的步骤,我们便可以制作一个完整的利用System V共享内存通信的流程了。
0. 我们要利用ftok()生成共享内存唯一标识key.
1. 然后我们利用key调用shmget()函数创建共享内存
2. 接着我们需要利用shmat()挂接上共享内存
3. 然后实现通信的流程
4. 利用shmdt()取消挂接
5. 利用shmctl()删除共享内存(一般是server,谁创建的谁删除)
这里一共四个文件,分别为Log.hpp(日志信息),comm.hpp(共用的头文件),shmServer.cc, shmClient.cc
Log.hpp(日志信息)
#pragma once #include <iostream> #include <ctime> #include<string> using namespace std; #define Debug 0 #define Notice 1 #define Warning 2 #define Error 3 string msg[] = { "Debug ", "Notice", "Warning", "Error" }; ostream& Log(string message,int level) { cout << " | " << (unsigned)time(NULL) << " | " << msg[level] << " | " << message; return cout; }
comm.hpp(共用的头文件)
#pragma once #include<iostream> #include<string> #include<cstring> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<assert.h> #include<sys/types.h> #include<sys/ipc.h> #include<sys/shm.h> using namespace std; #define PATH_NAME "/home/hyx" #define PROJ_ID 0x66 #define SHM_SIZE 4096 //最好是页(PAGE:4096)的整数倍,假设是4097,OS也会申请4096*2的空间,剩下的4095空间相当于浪费了
shmServer.cc
#include "comm.hpp" #include "Log.hpp" string TransToHex(key_t k) { char buffer[32]; snprintf(buffer, sizeof(buffer),"0x%x",k); return buffer; } int main() { //1.创建公共的key值 key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID); Log("create key done",Debug) << " server key : " << TransToHex(k) << endl; //2.创建共享内存 --- 建议创建一个全新的共享内存 int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); if(shmid == -1) { perror("shmget"); exit(1); } Log("create shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; // sleep(10); //3.将指定的共享内存,挂接到自己的地址空间 char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY); Log("attach shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; // sleep(10); //这里就是通信的逻辑 //将共享内存当做一个大字符串 // char buffer[SHM_SIZE]; //结论1:只要双方使用shm,一方直接向共享内存中写入数据。另一方就可以立马看到 // 共享内存是所有进程IPC,速度最快的! 因为不需要过多的拷贝!表现为不需要将数据拷贝给操作系统 for(;;) { printf("%s\n",shmaddr); if(strcmp(shmaddr,"quit") == 0) break; sleep(1); } //4.将指定的共享内存,从自己的进程地址空间取消关联 int n = shmdt(shmaddr); assert(n != -1); Log("detach shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; // sleep(10); //5..删除共享内存 n = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr); assert(n != -1); Log("delete shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl; return 0; }
shmClient.cc
#include "comm.hpp" #include "Log.hpp" int main() { key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID); if(k < 0) { Log("create key done", Error) << "client key : " << k << endl; exit(1); } Log("create key done",Debug) << " client key : " << k << endl; //获取共享内存 int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT); if(shmid < 0) { Log("create shm failed", Error) << "client key : " << k << endl; exit(2); } Log("create shm success", Debug) << "client key : " << k << endl; // sleep(10); char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0); if(shmaddr == nullptr) { Log("attach shm failed", Error) << "client key : " << k << endl; exit(3); } Log("attach shm success", Debug) << "client key : " << k << endl; // sleep(10); //使用 //client将共享内存看做一个char类型的buffer char a = 'a'; for(;a <= 'e'; a++) { //我们是每一次都向shmaddr[共享内存起始地址]写入 snprintf(shmaddr,SHM_SIZE-1,\ "hello,server, my pid is: %d, inc : %c\n",getpid(),a); sleep(2); } strcpy(shmaddr,"quit"); //去关联 int n = shmdt(shmaddr); assert(n != -1); Log("detach shm success",Debug) << "client key : " << k << endl; // sleep(10); //client 不需要删除共享内存,server负责这些,和client没关系。 return 0; }
然后我们编译运行,分两个窗口观察:
client
可以看到,双方都实现了通信。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-626446.html
到这里System V共享内存就介绍完毕了,如果有不懂或疑问的地方,欢迎评论区或私信哦~文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-626446.html
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