【Linux】进程间通信——共享内存

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共享内存(Shared Memory)

什么是共享内存

共享内存(Shared Memory)是一种 进程间通信(IPC) 机制,允许多个进程共享同一块物理内存,从而提高数据交换效率。相比其他 IPC 方式(如管道、消息队列等),共享内存具有 速度快、低开销 的优势,因为数据直接存储在内存中,而无需通过内核进行数据拷贝。

2. 共享内存的特点

  • 高效:数据直接在内存中共享,避免了进程间数据拷贝的开销。
  • 进程可见:多个进程可以同时访问同一块共享内存,实现高速数据传输。
  • 需要同步机制 :由于多个进程可以并发访问共享内存,通常需要使用 信号量(Semaphore)互斥锁(Mutex) 来防止数据竞争。

3.共享内存的主要函数

函数 作用
shmget() 创建或获取一个共享内存段
shmat() 将共享内存附加到进程地址空间
shmdt() 解除共享内存与进程的关联
shmctl() 控制共享内存(删除、修改权限等)

3.1.shmget()

shmget表示获取共享内存,第一个参数key表示共享内存的键值,用于标识唯一的共享内存段。


这个参数由用户个人设置,但是通常用ftok函数来获取key。

ftok函数通过一定的算法来获取相对不会重复的key值,第一个参数是路径,第二个参数随机填一个数,通过算法获取相对唯一的key值。


shmget的第二个参数表示共享内存的大小,第三个参数表示标志位,如何创建共享内存和设置共享内存的权限。

第三个参数有特定的宏可以选择,红框框起来的是常用的两个。
IPC_CREAT :单独使用表示获取共享内存,如果存在则报错
IPC_CREAT | IPC_EXCL :表示创建共享内存
IPC_EXCL:单独使用没有意义

3.2.shmat

当我们获取到共享内存的时候,我们需要将共享内存挂接到虚拟内存地址当中,这时就需要用到这个接口。

用下面简图表示挂接:

shmget的第一个参数shmid表示shmget的返回值,会返回一个shmid,第二个参数表示我们可以指定一个虚拟地址,挂接到指定的虚拟地址上,但是一般情况下我们都会默认使用分配的虚拟地址,所以第二个参数一般情况下都会填nullptr,第三个参数表示标志位,用于控制映射方式(常用 0 或 SHM_RDONLY)。

3.3.shmdt

去关联,和上一个关联恰好相反,一个是关联一个是去关联。

3.4.shmctl

这个函数是用于控制共享内存的,在命令行我们一般用ipcrm -m shmid这个命令来删除共享内存,但是在代码层面,我们一般用shmctl这个函数来控制共享内存,可以进行删除修改权限等操作。

第二个参数表示标志位进行什么操作,下面是可以进行的操作,红框框起来的,表示删除共享内存,我们可以用这个宏来实现删除共享内存。

第三个参数是获取共享内存的信息,放在一个结构体当中,如果我们不需要获取直接传nullptr

接口讲完了,接下来用共享内存实现进程间通信

共享内存实现进程间通信

ShareMemory.hpp

cpp 复制代码
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
using namespace std;
const string gpath = "/home/llllyrics/112_class";
int gprojid = 0X6666;
//操作系统,申请空间,是按照块为单位的:4kb,1kb,2kb,4mb.......
int gshmsize = 4096;
mode_t gmode = 0600;//权限

const int CREATE = IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode;
const int GET = IPC_CREAT;


class ShareMemory
{
private:
void CreateShmHelper(int flag)
    {
        //创建key
        _key = ftok(gpath.c_str(),gprojid);
        if(_key < 0)//创建失败
        {
            cerr<<"ftok error"<<endl;
            return;
        }
        //让server创建共享内存&&获取
        //注意:共享内存也有权限!在应用层和文件关联度不大,但是在底层和文件关联度大
        _shmid = shmget(_key,gshmsize,flag);//创建
        if(_shmid < 0)//创建失败
        {
            cerr<<"shmget error"<<endl;
            return;
        }
    }
public:
    ShareMemory():_shmid(-1),_key(0),_addr(nullptr){}
    ~ShareMemory(){}

    void CreateShm()
    {
        if(_shmid == -1)
            CreateShmHelper(CREATE);
    }
    void GetShm()
    {
        CreateShmHelper(GET);
    }
    void AttachShm()
    {
        //将共享内存挂接到自己的地址空间当中
        _addr = shmat(_shmid,nullptr,0);//将共享内存挂接到自己的虚拟地址上。
        if((long long)_addr == -1)return;//挂接失败返回nullptr
    }
    void DetachShm()
    {
        if(_addr != nullptr)
        shmdt(_addr);
        cout<<"detach done:"<<endl;
    }
    void DeleteShm()
    {
        int n = shmctl(_shmid,IPC_RMID,nullptr);
        if(n < 0) 
        {
            cout<<"delete failed"<<endl;
            return;
        }
        cout<<"delete shm done"<<endl;
    }
    void* GetAddr()
    {
        return _addr;
    }
    void ShmMeta()
    {

    }
private:
    int _shmid;
    key_t _key;
    void *_addr;
};
ShareMemory shm;

Server.cc

cpp 复制代码
#include "ShareMemory.hpp"
int main()
{
    shm.CreateShm();
    shm.AttachShm();
    //接收----IPC
    char* strinfo = (char*)shm.GetAddr();//获取服务器的虚拟地址

    while(true)
    {
        sleep(1);
        //打印共享地址中的内容
        printf("%s\n",strinfo);
        //
    }
    shm.DetachShm();
    shm.DeleteShm();
    return 0;
}

Client.cc

cpp 复制代码
#include "ShareMemory.hpp"
int main()
{
    shm.GetShm();
    shm.AttachShm();
    //写入----IPC
    char* strinfo = (char*)shm.GetAddr();//获取客户端的虚拟地址
    char ch = 'A';
    while(ch <= 'Z')
    {
        sleep(1);
        strinfo[ch-'A'] = ch;//这里操作共享内存的时候为什么没有用系统调用?
        ch++;
    }
    shm.DetachShm();
    return 0;
}

总结

共享内存作为一种高效的进程间通信机制,因其直接在内存中操作数据,避免了数据拷贝,提供了快速的数据传输方式。通过 shmgetshmatshmctl 等函数,Linux 系统为我们提供了灵活的共享内存操作接口。尽管共享内存具有显著的性能优势,但由于其没有内建的同步机制,使用时必须特别注意数据的一致性和进程间的同步问题。

在实际应用中,结合信号量、消息队列等同步机制,共享内存可以为多进程间提供高效且稳定的通信手段。然而,开发者需要注意资源的管理与清理,以免造成内存泄漏或数据冲突。

总之,共享内存是一种非常强大的进程间通信工具,但使用时需要小心谨慎,确保数据同步和资源管理得当,才能充分发挥其优势。

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