【探索Linux】—— 强大的命令行工具 P.15（进程间通信 —

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引言

在多进程编程中，进程间通信（IPC）是一项关键技术，它使得不同的进程能够相互交换数据和协调行为。而在众多的IPC机制中，System V共享内存是一种高效且强大的通信方式。通过使用共享内存，我们可以将数据从一个进程快速地传递给另一个进程，避免了复制数据的开销，提高了数据传输的效率。同时，由于共享内存是在进程之间共享的内存区域，进程可以直接在该内存区域进行读写操作，从而实现了高效的数据交换。本文将深入探讨System V共享内存的原理、使用方法以及相关函数，并结合实际场景介绍如何利用共享内存进行进程间通信。无论您是初学者还是有经验的开发者，本文都将为您提供全面的指导，帮助您更好地掌握System V共享内存，并应用于您的项目中。让我们一起深入研究进程间通信的精髓，开启高效、协同的多进程编程之旅吧！😍

一、system V的概念

System V是指AT&T公司开发的一系列UNIX操作系统版本，它是UNIX历史上最著名和广泛使用的一个分支。System V在1979年发布，其名称中的“V”代表着罗马数字5，表明它是UNIX的第五个主要版本。

System V引入了许多重要的功能和概念，其中之一就是System V IPC（进程间通信）。System V IPC是一组用于在不同进程之间传递数据和协调行为的机制。它包括三种主要的IPC机制：共享内存（Shared Memory）、消息队列（Message Queues）和信号量（Semaphores）

二、共享内存

(1) 概念

🍁在Linux系统中，System V共享内存是一种用于进程间通信的机制，它允许多个进程访问同一块物理内存，从而实现数据共享。

🍁共享内存区是最快的IPC形式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，换句话说是进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据

(2) 共享内存示意图

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(3) 共享内存数据结构

struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
	int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
	__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
	__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
	__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
	__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
	__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
	unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
	unsigned short shm_unused; /* compatibility */
	void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
	void *shm_unused3; /* unused */
};

struct shmid_ds 是 System V 共享内存的状态信息结构体，在 Linux 系统中用来描述共享内存段的属性和状态。下面是 struct shmid_ds 结构体中各个成员的含义：

成员	含义
struct ipc_perm shm_perm	用于描述共享内存的操作权限。
int shm_segsz	共享内存段的大小，以字节为单位。
__kernel_time_t shm_atime	最后一次附加（attach）该共享内存的时间。
__kernel_time_t shm_dtime	最后一次分离（detach）该共享内存的时间。
__kernel_time_t shm_ctime	最后一次修改该共享内存的时间。
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid	创建者进程的进程号（PID）。
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid	最后一次操作该共享内存的进程号（PID）。
unsigned short shm_nattch	当前附加（attach）该共享内存的进程数。
unsigned short shm_unused	未使用的字段，用于兼容性。
void* shm_unused2	未使用的字段，由 DIPC（Distributed Inter-Process Communication）使用。
void* shm_unused3	未使用的字段。

🥰通过这些状态信息，我们可以获取共享内存段的大小、权限、最后访问时间、创建者信息以及当前附加进程的数量等相关信息。这些信息对于管理和监控共享内存非常有用，能够帮助我们更好地理解和控制共享内存的状态。

三、共享内存的使用

1. 共享内存的使用步骤

（1）包含头文件

首先，在程序中包含 <sys/ipc.h>、<sys/shm.h> 和 <sys/types.h> 头文件，以便能够使用共享内存相关的函数和数据结构。

（2）获取键值（ftok函数）

ftok 函数是一个用于生成 System V IPC（进程间通信）键值的函数，它通常用于创建消息队列、共享内存和信号量的标识符。其原型如下：

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

pathname 参数是一个指向路径名的指针，它引用一个现有的目录项。
proj_id 是一个用户定义的整数，用来区分不同的 IPC 对象。

ftok 函数会将给定的路径名和项目 ID 转换成一个唯一的 key 值，以便在创建或获取 IPC 对象时使用。这个 key 值是一个标识 IPC 对象的关键参数，确保了不同的 IPC 对象具有不同的标识符。

需要注意的是，ftok 函数并不是一个完美的方法来生成唯一的 IPC 键值，因为它对路径名和项目 ID 的要求比较严格，而且在不同的系统上可能会有一些限制。另外，由于 ftok 使用的是低位 8 位作为唯一标识，所以在某些情况下可能存在冲突。（可以类比C++中的哈希函数）

（3）创建共享内存段（shmget函数）

shmget 函数用于创建或获取一个共享内存段。它的原型如下：

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

key 是通过 ftok 函数生成的键值，用于标识共享内存段。
size 是共享内存段的大小，以字节为单位。
shmflg 是用来指定权限和行为的标志位。

shmget 函数的功能如下：

如果以给定的键值 key 找到了一个共享内存段，则返回该共享内存段的标识符（非负整数）。
如果以给定的键值 key 没有找到对应的共享内存段，则根据 shmflg 参数的设置来创建一个新的共享内存段，并返回该共享内存段的标识符。
当创建一个新的共享内存段时，需要指定共享内存段的大小 size。如果创建成功，操作系统会分配足够的内存空间来容纳这个大小的共享内存段，并返回其标识符。
shmflg 参数可以用来指定共享内存段的权限和行为，例如读写权限、创建新的共享内存段还是获取已有的共享内存段等。

需要注意的是，共享内存段在整个系统中是全局可见的，可以被多个进程同时访问。因此，在使用共享内存时，需要确保进程之间的同步和互斥，以避免数据竞争和不一致性的问题。

（4）将共享内存连接到当前进程的地址空间（shmat函数）

shmat 函数用于将共享内存段连接到当前进程的地址空间，以便进程可以访问共享内存中的数据。它的原型如下：

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

shmid 是共享内存段的标识符，通常是由 shmget 函数返回的值。
shmaddr 是用来指定将共享内存连接到进程地址空间的地址，通常设为 NULL，表示由系统自动选择合适的地址。
shmflg 是用来指定连接行为的标志位。

shmat 函数的功能如下：

将指定标识符的共享内存段连接到当前进程的地址空间，并返回一个指向共享内存段起始地址的指针。
如果 shmaddr 参数设为 NULL，则系统会自动选择合适的地址将共享内存连接到当前进程的地址空间。
shmflg 参数可以用来指定连接的行为，例如是否只读、读写权限等。

✅在调用 shmat 函数后，程序员可以通过返回的指针来访问共享内存中的数据。

（5）访问共享内存

连接成功后，就可以通过返回的指针来访问共享内存中存储的数据了。

（6）分离共享内存（shmdt函数）

shmdt 函数用于将共享内存段从当前进程的地址空间分离，以释放资源并防止内存泄漏。它的原型如下：

int shmdt(const void *shmaddr);

shmaddr 是指向共享内存段起始地址的指针，需要与之前调用 shmat 函数时返回的指针相同。

shmdt 函数的功能如下：

将共享内存段从当前进程的地址空间分离。
分离后，当前进程将无法再访问共享内存段中的数据。

下面是 shmdt 函数的示例用法：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>

int main() 
{
    void *ptr = ...; // 已知指向共享内存的指针
    int status = shmdt(ptr); // 将共享内存从当前进程的地址空间分离

    if (status == -1) 
    {
        perror("shmdt");
        return 1;
    }
    printf("Shared memory detached\n");
    return 0;
}

需要注意的是，分离共享内存后，当前进程将无法再通过指针 ptr 访问共享内存中的数据。为避免内存泄漏，使用完共享内存后应该及时调用 shmdt 函数分离共享内存。

2. 共享内存的使用示例

进程1：创建共享内存并写入数据

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 'R'); // 通过 ftok 函数生成键值
    int size = 1024; // 共享内存段的大小
    int shmflg = IPC_CREAT | 0666; // 创建共享内存段的权限
    
    int shmid = shmget(key, size, shmflg); // 获取共享内存的标识符
    
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    
    printf("Shared memory segment ID: %d\n", shmid);
    
    char *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0); // 将共享内存连接到当前进程的地址空间

    if (shmaddr == (char *)-1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    strcpy(shmaddr, "Hello, shared memory!"); // 向共享内存写入数据

    printf("Data written to shared memory: %s\n", shmaddr);

    shmdt(shmaddr); // 将共享内存从当前进程的地址空间分离
    
    return 0;
}

进程2：连接共享内存并读取数据

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 'R'); // 通过 ftok 函数生成键值
    int size = 1024; // 共享内存段的大小
    int shmflg = 0666; // 访问共享内存的权限

    int shmid = shmget(key, size, shmflg); // 获取共享内存的标识符

    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    char *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0); // 将共享内存连接到当前进程的地址空间

    if (shmaddr == (char *)-1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    printf("Data read from shared memory: %s\n", shmaddr); // 从共享内存读取数据

    shmdt(shmaddr); // 将共享内存从当前进程的地址空间分离
    
    // 在实际应用中，可能需要在完成读取数据后删除共享内存段，使用 shmctl 函数执行删除操作
    // shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

四、共享内存的优缺点

优点：

快速高效： 由于共享内存直接映射到进程的地址空间，进程可以直接读写共享内存中的数据，因此在性能上非常高效。
方便： 共享内存提供了一个简单的机制，允许多个进程共享相同的数据，而无需进行复制或传输。这样可以方便地实现进程间的数据共享。
灵活性： 共享内存可以用于任意类型的数据，包括结构化数据、对象等，因此非常灵活。

缺点：

同步问题： 由于多个进程可以同时访问共享内存，因此需要额外的同步机制来确保数据的一致性和完整性，比如信号量、互斥锁等。
安全性： 共享内存的使用需要特别小心，因为在没有适当的同步和保护机制的情况下，可能会导致竞争条件和数据损坏。
复杂性： 在设计和实现中，共享内存可能会引入更多的复杂性，需要开发人员自行管理内存分配、释放、同步等问题，容易出现错误。
可移植性： 共享内存的实现可能受限于操作系统，因此在不同的平台上可能存在一定的可移植性问题。

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