【1++的Linux】之进程间通信（共享内存）

👍作者主页：进击的1++

🤩 专栏链接：【1++的Linux】

我们在前面的文章中提到过，进程间的通信本质都是先看到同一块资源，然后通过这同一块资源进行通信，并且是单向的通信，只能一端发，一端进行读，共享内存也是基于这样的原理而进行的通信，与管道有异曲同工之处，管道是基于文件，拿到同一个文件的文件描述符而进行的通信，需要调用对文件的读写操作函数，因此要经过内核。而共享内存是不会的，其是内存级的通信，因此它的效率非常高。

ps:共享内存因为数据不需要在客户机和服务器端之间复制，数据直接写到内存，不用若干次数据拷贝，所以这是最快的一种IPC。

那么是什么是共享内存呢？

我们其实早已经和它见过面了！！！

我们的共享内存就在共享区中。

我们通过OS申请一块物理内存，作为共享内存，进程间是独立的，有自己的页表，进程地址空间。两进程通过页表将这块物理内存映射到各自的进程地址空间，此时他们就能够看到同一块资源啦！

共享内存的提供者是OS，共享内存不止有一块，此时就需要将他们进行管理，怎么管理呢？六字真言：先描述，后组织！！！

那么共享内存实质是什么呢？----共享内存块+对应的内核数据结构。

共享内存的建立：

shmget()函数

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

它的参数都是指什么呢？

key : 通信的双方要保证看到的是同一块共享内存，，它是几不重要，只要它在系统里唯一就行。相同的key就可以看到同一块空间了。

size : 共享内存的大小

shmflg ：标志位 IPC_CREAT 创建共享内存：若存在则获取，不存在则创建 IPC_CREAT | IPC_EXCL 创建共享内存：若存在，报错返回，若不存在，创建。

IPC_EXCL单独使用没有意义。

返回值是一个整数，其类似于文件描述符一样，是共享内存用户层的标识符。

那么key 值怎么获取，才能使系统中唯一的呢？

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id) 我们调用ftok函数去生成一个唯一的key。
pathname：指定的文件，此文件必须存在且可存取
proj_id：计划代号（project ID）

ftok的典型实现是调用stat函数，然后组合以下三个值：

① pathname所在的文件系统的信息（stat结构的st_dev成员）。

② 该文件在本文件系统内的索引节点号(stat结构的st_ino成员)。

③ proj_id的低序8位（不能为0）。

上述三个值的组合产生一个32位键。

创建出共享内存后，我们需要将其挂接到我们需要进行通信的地址空间上，我们用shmat（）来实现。

void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);

第一个参数，shm_id是由shmget()函数返回的共享内存标识。

第二个参数，shm_addr指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常为空，表示让系统来选择共享内存的地址。

第三个参数，shm_flg是一组标志位，通常为0。

调用成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针，如果调用失败返回

挂接完成后我们就可以进行通信了。

若向结束通信，我们可以选择让进程和共享内存分离

我们使用shmdt() 函数实现。

int shmdt(const void *shmaddr);

参数shmaddr是shmat()函数返回的地址指针，调用成功时返回0，失败时返回-1.

该函数只是让进程和其分离，并不会删除共享内存。

删除共享内存我们用shmctl（）函数。

int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);

第一个参数，shm_id是shmget()函数返回的共享内存标识符。

第二个参数，command是要采取的操作，它可以取下面的三个值：

IPC_STAT：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值，即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。

IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值 IPC_RMID：删除共享内存段

第三个参数，buf是一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

出来使用函数删除共享内存，我们还可以用命令手动去删除：

ipcs -m 用来查询存在的共享内存

ipcrm -m+shmid 可以删除对应的共享内存

共享内存并未提供同步机制，也就是说，在第一个进程结束对共享内存的写操作之前，并无自动机制可以阻止第二个进程开始对它进行读取。所以我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问

下面我们利用管道来实现一个同步的共享内存：

cpp 复制代码

#pragma once
#include<iostream>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<cassert>
#include<unistd.h>
#include<cstring>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include"LOG.hpp"
#define IPC_PATH "/home/hyp"
#define PROJ_id 0x66  //8位
#define SHM_SIZE 4096 //最好是页的整数倍
#define Fifo_Name "./fifo"

class Init
{
    public:
    Init()
    {
        umask(0);
         int n=mkfifo(Fifo_Name,0666);//创建管道
         if(n==-1)
         {
            perror("mkfifo");
            exit(1);
         }
    }

    ~Init()
    {
        unlink(Fifo_Name);
    }


};


int OPen_fifo(std::string fifo_name,std::string flag)
{
    int fd=-1;
    if(flag=="READ")
    {
        fd=open(fifo_name.c_str(),O_RDONLY);

    }
    else if(flag=="WRITE")
    {
        fd=open(fifo_name.c_str(),O_WRONLY);
    }
    else{
        exit(2);
    }
    assert(fd!=-1);
    return fd;
}
void Sendmessage(int fd)
{
    int commd=0;
    int s=write(fd,&commd,sizeof commd);
    log("发送中.....",DEBUG)<<std::endl;
    assert(s!=-1);
    
}

void Wait(int fd)
{
    log("等待中.....",DEBUG)<<std::endl;
    int commd=1;
    int s=read(fd,&commd,sizeof(commd));
    assert(s!=-1);
}

//日志打印

cpp 复制代码

#pragma once
#include<iostream>
#include<string>
#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_

#define DEBUG 0
#define NOTICE 1
#define WARNING 2
#define ERROR 3

std::string mes[4]={
    "DEBUG","NOTICE","WARNING","ERROR"
};

std::ostream& log(const std::string& message,int level)
{
   std::cout<<"|"<<mes[level]<<"|"<<message<<"|";
   return std::cout;
}

#endif

//发送端

cpp 复制代码

#include"comm.hpp"
#include"LOG.hpp"

int main()
{
    key_t k=ftok(IPC_PATH,PROJ_id);
    if(k==-1)
    {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }
    log("creat key done",DEBUG)<<" client# k:"<<k<<std::endl;

    int shmid=shmget(k,SHM_SIZE,0);
    assert(shmid>0);
    log("creat shm done",DEBUG)<<std::endl;
    //将创建出的共享内存挂接到自己的地址空间中
    char* shmaddr=(char*)shmat(shmid,nullptr,0);
    if(shmaddr==nullptr)
    {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }
    log("attach shm success",DEBUG)<<std::endl;

    //使用
   int fd= OPen_fifo(Fifo_Name,"WRITE");
    while(true)
    {
        //sleep(1);
        //char puts[1024];
        //fgets(shmaddr,10,stdin);
        //Sendmessage(shmaddr);
        Sendmessage(fd);
        int s=read(0,shmaddr,SHM_SIZE-1);
        if(s>0)
        {
            shmaddr[s-1]='\0';
           if(strcmp(shmaddr,"quit")==0)
            {
                break;
            }
        }

    }
    close(fd);

     int n=shmdt(shmaddr);
    if(n==-1)
    {
        perror("shmdt");
        exit(1);
    }
    log("detach shm success",DEBUG)<<std::endl;


    return 0;
}

//收端

cpp 复制代码

#include"comm.hpp"
#include"LOG.hpp"

Init init;
int main()
{
    key_t k=ftok(IPC_PATH,PROJ_id);
    if(k==-1)
    {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }
    log("creat key done",DEBUG)<<" server# k:"<<k<<std::endl;

    int shmid=shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);//通信的发起者
    assert(shmid>0);
    log("creat shm done",DEBUG)<<std::endl;
    //将创建出的共享内存挂接到自己的地址空间中
    char* shmaddr=(char*)shmat(shmid,nullptr,0);
    if(shmaddr==nullptr)
    {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }
    log("attach shm success",DEBUG)<<std::endl;
    //使用

    int fd=OPen_fifo(Fifo_Name,"READ");
    while(true)
    {
        Wait(fd);
        printf("%s\n",shmaddr);
        if(strcmp(shmaddr,"quit")==0) break;
       
    }

    int x=shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
    assert(x!=-1);
    log("delete shm success",DEBUG)<<std::endl;

    

    return 0;
}

为了让进程之间能够通信，我们让其能够看到同一份资源，但看到同一份资源也会带来一些时序问题，从而造成数据不一致的问题。

我们上述的代码中是用加入管道的方式从而保证其同步性使得：只有一个进程写完后另一个进程才能够去读。信号量也是解决同步机制的一种方法。

我们将多个进程看到的公共的一份资源称为临界资源。

把进程访问临界资源的代码称为临界区

多个执行流运行时互相干扰，主要是我们不加保护的访问了临界资源（在非临界区是没有影响的），为了更好的进行临界区的保护，我们让多执行流在任何时刻都只有一个进程能够进入临界区----我们将其称为互斥。

原子性：要么不做，要么做完，没有中间状态。

关于信号量我们在后面会有更加详细的解读。