【Linux】进程间通信之共享内存

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引入

进程间通信，顾名思义就是一个进程和另一个进程之间进行对话，以此完成数据传输、资源共享、通知事件或进程控制等。

众所周知，进程具有独立性，即使是父子进程也会彼此独立，互相看不到对方的任何信息。

而独立性是阻碍通信的，所以进程间通信要打破这种阻碍，打破进程独立性，也就是要让两个不想干的进程看到同一份资源。

在上一篇文章中我们分别介绍了匿名管道和命名管道两种通信方式，通过建立一个内存级文件，一个进程向该文件写内容，另一个进程从该文件中读内容，这样就完成了两个进程之间的通信。

既然可以建立一个内存级文件，能否省去文件，直接开辟一块内存，要通信的进程能同时使用这块内存呢？

这就是下面要介绍的共享内存(Shared Memory)。

共享内存的原理

在介绍共享内存之前先了解一下它的工作原理。

我们肯定了解C语言中有malloc函数，可以开辟一块内存空间，这块空间能通过页表映射到进程地址空间的堆区。但是进程空间不止有堆区，还有什么栈区、初始化数据区、未初始化数据区等等...其中在堆区和栈区之间还有一个共享区。我们今天要讲的共享内存，就是要映射到共享区的。

我们同样可以使用类似于malloc功能的接口来申请一块内存空间。然后将申请的这部分内存空间映射到进程地址空间的共享区，在另一个进程中我们也做相同的事情，这样两个进程就同时关联了同一块物理内存空间，一个进程向这段内存中写，另一个进程从这块内存读取，这样同样也能实现两个进程之间的通信。当两个进程之间不再需要通信时，我们先不急着释放这块内存，因为释放之后所有共享这块内存的进程都无法使用了，我们也不知道究竟有几个进程同时使用这块内存通信。所以首先取消内存和不再需要通信的进程之间的映射，也就是去关联。当这块内存真不需要的时候，再将其释放掉。

如此就是通过共享内存进行通信的简单原理：

共享内存的相关接口

有了原理层面的简单了解，就可以学习一下相关接口了。下面主要介绍四个接口s。

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#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shmget()

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int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：用来创建共享内存
参数：key: 可以唯一标识共享内存段的key值
     size: 共享内存块的大小，一般是4kb的整数倍
     shmflag: 共享内存块的权限，用二进制数中的位进行标识
返回值：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

对于key值，是需要我们设计传过去的，它的类型是key_t，实际是int。key值要保证唯一性，以此保证共享内存可以唯一标识，我们可以通过ftok()函数进行获取，所以再简单介绍一下ftok()函数：
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#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
很简单，参数为一个字符串和一个整数，字符串一般传我们要创建的共享内存块的路径，proj_id可以设一个随机数，ftok就会生成一个key并返回，如果出错了则返回-1。

size就不多介绍了，还是需要注意size虽然可以随便填，但一般是4kb的整数倍。

shmfalg为创建文件的一些权限选项，其选项常用的主要就两个：IPC_CREAT和IPC_EXCL 。IPC_CREAT的作用是如果key对应的共享内存块不存在，则创建一块，然后返回该内存块的shmid；如果已经存在相应的共享内存块了，则直接返回对应的id。而IPC_EXCL 通常要配合IPC_CREAT使用，当要获取的共享内存块不存在时不起作用，当其已经存在时则会获取失败，保证要获取的共享内存块是新鲜的。除此之外还要加上要创建的共享内存块的权限，就跟用open创建文件时的参数mode一样，比如0x0666是所有人可读可写，0x0600是只有自己可读可写。如果忘记加权限则创建出来的共享内存是无法使用的。

shmat()

全称是shm attach，功能就是将进程与共享内存挂接。

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void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
功能：将共享内存段连接到进程地址空间
参数：shmid: 共享内存的id，可以唯一标识共享内存
     shmaddr: 指定链接到进程空间中的地址
     shmflg: 常用的标识有两个，SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值：成功返回一个指针，指向共享内存的首地址，类似于malloc；失败返回-1

对于shmid，这个就是shmget的返回值，和key一样都能进行唯一性标识，区别就是key是内核层的，shmid是应用层的。进程要挂接共享内存时手里肯定得有id。

shmaddr如果传参的话要传一个地址，意思是指定映射到进程地址空间的哪个位置。如果传nullptr则会随机映射，一般都是传nullptr。

shmflg如果传了SHM_RDONLY则进程只能从共享内存块中读取。SHM_RND通常要配合shmaddr使用，会使映射的位置不一定在shmaddr处，会向下舍入到SHMLAB的整数倍。用的也很少。如果shmflg传个0过去，则表示可读可写。

shmdt()

全称是shm detach，功能就是取消进程与共享内存的挂接，也就是去关联。

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int shmdt(const void *shmaddr);
功能：将共享内存段与当前进程脱离
参数：shmaddr: 由shmat所返回的指针，也就是共享内存的首地址，用法类似于free()
返回值：成功返回0；失败返回-1

该函数的功能仅仅是去关联，并不是删除共享内存段。

当进程不再需要通过该共享内存通信时应及时取消挂接。

shmctl()

全称是shm control，功能就是控制共享内存。

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int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
功能：用于控制共享内存
参数：shmid: 由shmget返回的共享内存标识码
     cmd: 将要采取的动作，常用的有三个取值
     buf: 输出型参数，指向一个存储共享内存块部分属性结构体，如果需要时会将shmid对应的共享内存块的信息拷贝到该结构体中，为输出型参数

cmd的取值主要有IPC_STAT，IPC_SET和IPC_RMID。

IPC_STAT的功能是将共享内存内核数据结构中的属性拷贝到buf中，用来开获取共享内存的状态信息，如果要使用这个选项，共享内存必须要可读。

IPC_SET和上面的选项功能相反，是要把buf中的信息写入到内核数据结构中，使用时要谨慎。只有创建或者拥有该共享内存块或被赋予权限的人才能进行此操作。

IPC_RMID就是删除共享内存了，但是只有当没有进程挂接共享内存时该共享内存块才会真正删除。只有创建或者拥有该共享内存块或被赋予权限的人才能进行此操作。一般就是谁创建的谁删除。

buf是struct shmid_ds结构体类型指针，指向这样一个结构，man手册中给出了该结构的部分信息：
c 复制代码
struct shmid_ds {
   struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
   size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
   time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
   time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
   time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
   pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
   pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
   shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
   ...
};
其中还包含一个struct ipc_perm shm_perm结构体成员，其信息如下：
c 复制代码
struct ipc_perm {
   key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */
   uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */
   gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */
   uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */
   gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */
   unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST and
                               SHM_LOCKED flags */
   unsigned short __seq;    /* Sequence number */
};

共享内存的简单使用

下面举一个使用共享内存进行通信的简单例子。

为了便于使用，我们把一些公共信息比如key和pathname和共享内存的接口进行封装一下，放在一个头文件common.hpp中：

cpp 复制代码

// common.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <cerrno>		// 用于打印报错信息
#include <cstring>		// 调用C的部分字符串相关的接口
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <sys/ipc.h>	// 共享内存的相关接口
#include <sys/shm.h>
using namespace std;

#define PATHNAME "." 	// 在当前目录下创建共享内存
#define PROJ_ID	0x66	// ftok()创建key时的参数，任意取值都行
#define MAX_SIZE 4096	// 共享内存的大小，建议4kb的整数倍

// 通过ftok()获取key
key_t getKey()			
{
    key_t k = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
    if (k < 0)
    {
        cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
        exit(-1);
    }
    return k;
}

// 辅助函数，结合后面两个函数看
int getShmHelper(key_t k, int flags)
{
    int shmid = shmget(k, MAX_SIZE, flags);
    if (shmid < 0)
    {
        cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
        exit(-1);
    }
    return shmid;
}

// 获取shm，如果不存在就创建
int getShm(key_t k)
{
    return getShmHelper(k, IPC_CREAT);
}

// 创建新的shm
int createShm(key_t k)
{
    return getShmHelper(k, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
}

// 挂接shm
void* attachShm(int shmid)
{
    void* mem = shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (mem == (void*)(-1))
    {
        cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
        exit(-1);
    }
    return mem;
}

// 去关联
void detachShm(void* mem)
{
    if (shmdt(mem) == -1)
    {
        cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
        exit(-1);
	}
}

// 删除shm
void delShm(int shmid)
{
    if(shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr) == -1)
    {
        std::cerr << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;
        exit(-1);
    }
}

在server.cpp中创建共享内存，然后等待接受信息：

cpp 复制代码

// server.cpp

#include "common.hpp"
#include <unistd.h> // 在该文件中会调用getpid()函数

int main()
{
    key_t k = getKey();
    printf("key: 0x%x\n", k); // key
    int shmid = createShm(k);
    printf("shmid: %d\n", shmid); // shmid

    // 直接以char*类型使用共享内存段，也就是把共享内存段存储的数据看成字符串
    // 后续使用就跟使用用malloc开辟的空间一样
    char *start = (char *)attachShm(shmid);
    printf("attach success, address start: %p\n", start);
    
    struct shmid_ds ds;           // 保存共享内存信息的结构体
    shmctl(shmid, IPC_STAT, &ds); // 获取共享内存的部分属性信息并打印一下
    printf("获取属性: size: %d, pid: %d, myself: %d, key: 0x%x\n",
           ds.shm_segsz, ds.shm_cpid, getpid(), ds.shm_perm.__key);

    // 使用
    while (true)
    {
        printf("client say : %s\n", start);
        sleep(1);
    }

    // 去关联
    detachShm(start);

    sleep(10);

    delShm(shmid); // 删除共享内存

    return 0;
}

在client.cpp中向共享内存写入信息：

c 复制代码

// clent.cpp

#include "common.hpp"
#include <unistd.h>		// 在该文件中会调用getpid()函数

int main()
{
    key_t k = getKey(); 
    printf("key: 0x%x\n", k);		// key
    int shmid = getShm(k);
    printf("shmid: %d\n", shmid);	// shmid

    char *start = (char*)attachShm(shmid);
    printf("attach success, address start: %p\n", start);

    const char* message = "hello server, 我是另一个进程，正在和你通信";
    pid_t id = getpid();
    int cnt = 1;
    while(true)
    {
        snprintf(start, MAX_SIZE, "%s[pid:%d][消息编号:%d]", message, id, cnt++);
        sleep(1);
    }

    detachShm(start);

    return 0;
}

在client.cpp中一秒发送一条信息，在server.cpp中一秒打印一条信息，此时运行情况如下：

共享内存的特点

在结束掉上面两个进程之后再次运行server：

此时会报错说文件已经存在了，也就是我们结束掉进程之后共享内存并没有自动销毁。

所以共享内存的生命周期是不随进程的，如果我们一直不释放，只有在关掉系统时消失，所以共享内存的生命周期是随OS的。

当然linux也有一些查看共享内存相关的命令，我们可以用ipcs -m命令查看共享内存：

发现此时确实有一个共享内存，查看它的key和shmid信息也确实是我们刚刚创建的。其中几个属性还有owner，为创建共享内存的用户。perms就是permissions，权限的意思，正好也是我们创建共享内存时输入的权限0666。bytes就是共享内存的大小。nattach就是和共享内存挂接的进程的数量。

此时我们就可以用ipcrm -m $shmid指令手动释放掉共享内存：

上面创建完共享内存之后的使用方式就跟使用malloc开辟的空间似的。因为在进程的视角来看那就是自己空间的一部分，直接使用，不像管道似的还要先把要发送的数据存起来开然后向管道中写入，多了向管道中写入和从管道中读出两次拷贝。所以共享内存是所有进程间通信的方式中最快的。

我们还发现了，在运行client之前server端已经向显示器打印信息了，即使共享内存中没有信息。在client端关掉之后，server端就一直打印client最后发送的信息。所以共享内存是不会像管道一样能进行同步和互斥，也不会对数据有任何的保护。同步和互斥是通过信号量来完成的。