【Linux】从零开始认识进程间通信 —— 共享内存

送给大家一句话：

吃苦受难绝不是乐事一桩，但是如果您恰好陷入困境，我很想告诉您：“尽管眼前十分困难，可日后这段经历说不定就会开花结果。”请您这样换位思考、奋力前行。
-- 村上春树

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共享内存

1 ❤️‍🔥前言

前面我们讲解了匿名管道和命名管道，通过其底层实现，我们可以发现管道是基于文件系统的通信方式。通过文件的内存缓冲区的写端和读端的文件描述符（

fd

），使用对应的

read / write

就可以支持单向通信

也就是说管道并不是一个单独的模块，还是沿用文件的管理模块，而接下来的共享内存就是一个单独设计的通信模块

共享内存是本地通信方案（

System V IPC

）的一种。

System V IPC

包含主要有三种方式： 共享内存，消息队列 ，信号量。这些在今天逐渐被边缘化，很少再用到他们，但其中的共享内存很值得我们来学习一下，了解里面的思想。

2 ❤️‍🔥共享内存的原理

首先，共享内存是一种进程间通信的方案，那么就得满足进程间通信的需求：两个进程要看到同一块内存资源！才可以进行通信。

先来看两个进程的关系，进程具有独立性，两个进程分别会指向自己的地址空间，在通过页表映射到真的的物理地址，物理地址中储存着该进程的代码和数据。

接下来我们来看共享内存是如何实现的：

1. 首先在物理内存中存在一片内存空间，这里用来管理共享内存
2. 共享内存和管道的创建方式很像，一个进程通过对应的系统调用来创建共享内存，这个共享内存归OS管理。
3. 再联想动态库相关知识，动态库就是加载到物理内存中，通过页表映射到进程地址空间的共享区（储存动态库函数的起止位置）。动态库可以被多个进程同时使用，就是说动态库这片内存可以被不同进程同时看到。共享内存就是类似的道理
4. 那么在内存空间中假如存在这样一个空的内存，再在共享区申请一片空间，然后也通过页表映射到进程地址空间的共享区，那么不就可以让不同进程通过这个映射关系看到同一片内存了吗！不就可以在这片内存读取写入数据了吗！！！

这就是共享内存！！！

当然通过原来图也只是比较浅显的认识，接下来我们来深入探索一下！！！

1. 上述创建物理内存 ， 建立页表映射等操作，只能是操作系统来做！但是操作系统并不知道什么时候来进行操作。
2. 所以操作系统必须提供对应操作的系统调用，供用户进程A,B来使用
3. AB 进程可以使用共享内存来通信，那CD进程也想 ，EF进程也想— 所以共享内存在操作系统中是存在多份的，供不同个数的进程来进行通信！
4. 既然是存在多份的共享内存，那么操作系统就要进行统一管理 — 共享内存不是简单的一段内存空间，也要有描述并管理共享内存的数据结构和匹配的算法！！！
5. 共享内存 = 内存空间（数据） + 共享内存的属性！（和进程，文件的管理很类似啊！）

接下来我们在实践中再加深我们的理解

3 ❤️‍🔥代码实现 – 补充理论知识 – 相关接口

🎁创建

为了使用共享内存，我们先来认识一下对应的系统调用：

SHMGET(2)                                                           Linux Programmer's Manual                                                          SHMGET(2)

NAME
       shmget - allocates a System V shared memory segment

SYNOPSIS
       #include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>intshmget(key_t key, size_t size,int shmflg);

DESCRIPTION
       shmget() returns the identifier of the System V shared memory segment associated with the value of the argument key.  It may be used either to obtain the
       identifier of a previously created shared memory segment(when shmflg is zero and key does not have the value IPC_PRIVATE),or to create a new set.

shmget 

接口：作用是申请一个

system V 

标准的共享内存

它有三个参数： （key值我们稍后再谈）

• 返回值是共享内存的标识符(和 key 不同！！！)
• size_t size : 表示要创建多大的共享内存空间（通常时候4096的N倍）
• int shmflg ：这是个标记位，会有很多的标记位（比如IPC_CREAT 和 IPC_EXCL）。本质是使用位图来储存的。 1. IPC_CREAT ：如果要创建的共享内存不存在，就新创建一个。如果存在了就直接回去该共享内存并返回。 — 这个总能获取一个共享内存!2. IPC_EXCL ：单独使用没有意义！！！只有和IPC_CREAT 组合才有意义！3. IPC_CREAT | IPC_EXCL ： 如果要创建的共享内存不存在，就新创建一个。如果存在，就出错返回 — 这个如果成功返回了意味着共享内存（shm）是全新的!

和命名管道类似，共享内存也需要对使用者进行权限划分，创建者可以创建共享内存，使用者只需要获取即可！
那么

IPC_CREAT | IPC_EXCL

就用来创建共享内存，

IPC_CREAT

这个用来获取共享内存！

那么进程如何知道操作系统内存在共享内存呢？？？可以猜测：应该是通过

struct shm

属性里的用于标识共享内存的唯一性的字段！那这个字段如果让操作系统OS自动生成（类似PID）行不行呢？如果是OS创建的，那其他进程如何获取呢？

首先，如果是类似PID这种由操作系统建立的唯一性字段，只有该进程自己知道，其他进程是无法获取到的。所以为了其他进程可以获取到共享内存的信息就诞生了

key_t key

参数。**这个

key

是用户设置的值，任何一个进程都可以得到这个key。通过系统调用把这个key植入到共享内存中，那么其他进程通过计算得到的key，就可以获取到该共享内存了！**

ftok()

就是用来创建key的函数,传入文件路径和一个项目ID,通过一个算法来得到key。所以任何一个进程都可以得到该key值，就可以找到该共享内存！

FTOK(3)                                                             Linux Programmer's Manual                                                            FTOK(3)

NAME
       ftok - convert a pathname and a project identifier to a System V IPC key

SYNOPSIS
       #include<sys/types.h>#include<sys/ipc.h>key_tftok(constchar*pathname,int proj_id);

接下来我们上代码：

• 首先我们来实现一个获取key的函数 1. 首先需要一个路径名字pathname（取当前路径即可） 和 一个项目ID proj_id(0x66)2. 然后就可以得到一个key,我们封装一个获取key 的函数GetCommKey(const std::string& pathname , int proj_id)3. 进行测试 — 并加入把key转换为16进制的函数 std::string ToHex(key_t key)格式化输出

shm.hpp

#ifndef__SHM__HPP__#define__SHM__HPP__#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#include<iostream>#include<string>#include<cstdio>const std::string pathname ="/home/jlx/code/shm";constint proj_id =0x66;//转换为16进制
std::string  ToHex(key_t key){char buffer[128];snprintf(buffer ,128,"0%x", key);return buffer;}//获取共享内存的key
key_t GetCommKey(const std::string& pathname ,int proj_id){
    key_t key =ftok(pathname.c_str(), proj_id);if(key <0){perror("ftok");}return key;}#endif

运行测试一下：

很好，两个进程都可以获取同一个key!!!

• 然后来对 shmget()进行封装，我们需要需要key size 标志位

//创建一个共享内存intShmGet(key_t key,int size){int shmid =shmget(key , size , IPC_CREAT | IPC_EXCL);if(shmid <0){perror("shmget");}return shmid;}

我们测试一下

第一次创建的shmid是 0 ，key是随机数。

为什么进程退出了，共享内存不会退出呢？？？第一次成功创建，第二次就报错–共享内存无法创建！说明共享内存不随着进程的释放而自动释放！ 创建之后一直存在，直到重启，所以释放共享内存需要一些系统调用来手动释放！

共享内存的生命周期随内核

🎁删除

我们来看看这个共享内存在哪里：使用指令

ipcs -m

这不就找到了吗！！！

删除的指令是:

ipcrm -m (shmid)

,用户删除需要使用shmid。

为什么用户删除只能使用shmid???我们对比看看

key VS shmid
key：属于用户形成，内核使用的一个字段，用户不能使用key来进行共享内存的管理。是内核进行区分shm的唯一性的！
shmid: 内核是用户返回的一个标识符，用来进行用户级对共享内存的管理的id值

保证内核与用户的解耦！

每次通过指令来删除共享内存太矬了，那有没有对应的系统调用可以让我们删除共享内存呢？
当然有了：

HMCTL(2)                                                           Linux Programmer's Manual                                                          SHMCTL(2)

NAME
       shmctl - System V shared memory control

SYNOPSIS
       #include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>intshmctl(int shmid,int cmd,structshmid_ds*buf);

 int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

也有三个参数

1. int shmid：就是对应的共享内存的id
2. int cmd：这是指令位（IPC_STAT IPC_RMID IPC_INFO...）用户需要什么操作就可以传入对应指令来进行操作！
3. struct shmid_ds *buf：这是内核提供的数据结构，是输出型参数，让用户可以获取共享内存的属性信息。不需要就设置为nullptr

那么怎么删除呢？
使用指令

IPC_RMID

-->

shmctl(int shmid , IPC_RMID , nullptr)

就可以了

voidShmRemove(){if(_who == gCreater){int res =shmctl(_shmid, IPC_RMID,nullptr);
         std::cout <<"shm remove done..."<< std::endl;}}

这样就可以进行删除了

🎁封装

然后我们进行对共享内存的封装，把这些函数封装为Shm类，让用户可以更加方便的使用！

封装真的是优雅
shm.hpp

#ifndef__SHM__HPP__#define__SHM__HPP__#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#include<iostream>#include<string>#include<cstdio>#definegCreater1#definegUser2const std::string pathname ="/home/jlx/code/shm";constint proj_id =0x66;constint ShmSize =4096;classShm{private:// 转换为16进制
    std::string ToHex(key_t key){char buffer[128];snprintf(buffer,128,"0%x", key);return buffer;}// 获取共享内存的key
    key_t GetCommKey(){
        key_t key =ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);if(key <0){perror("ftok");}return key;}// 创建一个共享内存intGetShmHelper(int key,int size,int flag){int shmid =shmget(_key, size, flag);if(shmid <0){perror("shmget");}return shmid;}boolGetShmForCreate(){if(_who == gCreater){
            _shmid =GetShmHelper(_key, ShmSize, IPC_CREAT | IPC_EXCL |0666);if(_shmid >=0){
                std::cout <<"shm create done..."<< std::endl;returntrue;}}returnfalse;}boolGetShmForUse(){if(_who == gUser){
            _shmid =GetShmHelper(_key, ShmSize, IPC_CREAT |0666);if(_shmid >=0){
                std::cout <<"shm get done..."<< std::endl;returntrue;}}returnfalse;}public:Shm(const std::string &pathname,constint proj_id,int who):_pathname(pathname),_proj_id(proj_id),_who(who){
        _key =GetCommKey();if(_who == gCreater){GetShmForCreate();}elseif(_who == gUser){GetShmForUse();}
        std::cout <<"key:"<<ToHex(_key)<< std::endl;
        std::cout <<"shmid:"<< _shmid << std::endl;}~Shm(){if(_who == gCreater){int res =shmctl(_shmid, IPC_RMID,nullptr);
            std::cout <<"shm remove done..."<< std::endl;}}private:
    key_t _key;int _shmid;const std::string _pathname;constint _proj_id;int _who;};#endif

这样我们在用户级别上只需要建立一个实例化的类对象，就保证了两个进程可以看到同一内存：

🎁挂接到进程

上面我们已经可以正常建立共享内存了，接下来就要想办法来使用共享内存：把共享内存挂接到进程地址空间的共享区！
需要使用系统调用

shmat(挂载) --- shmdt（去除挂载）

SHMOP(2)                                                            Linux Programmer's Manual                                                           SHMOP(2)

NAME
       shmat, shmdt - System V shared memory operations

SYNOPSIS
       #include<sys/types.h>#include<sys/shm.h>void*shmat(int shmid,constvoid*shmaddr,int shmflg);intshmdt(constvoid*shmaddr);

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

有三个参数：

1. int shmid： 需要挂载的共享内存的id
2. const void *shmaddr：要挂载到的地址空间位置，一般设置为nullptr
3. int shmflg：挂载方式—只读，只写 ，读写

返回值：挂载成功之后，会返回共享内存的起始虚拟地址（类似malloc , 在堆上申请空间，返回首地址）

我们在类中加入挂接的函数

AttachShm()

（使用起来很像malloc）

void*AttachShm(){void* shmaddr =shmat(_shmid ,nullptr,0);if(shmaddr ==nullptr){perror("shmat");}return shmaddr;}

char* addr = (char*)shm.AttachShm();

这样我们在用户端就可以使用共享内存了！
我们来看看挂载数会怎么变化：

这样就让共享内存挂接到了进程中的共享区！！！可以看到该共享内存的权限是

666 -- 011011011

可读可写！

取出挂载的系统调用

shmdt(const void *shmaddr)

（类似free）传入首地址即可

voidDetachShm(void* shmaddr){if(shmaddr ==nullptr)return;shmdt(shmaddr);}

这样就可以取消挂载了！

当然， 我们建立共享内存的时候，肯定是想要进行通信的，挂接是肯定要进行的，所以用户来进行挂载显得有些多余。我们可以在共享内存建立的时候就进行挂接，析构的时候进行取消挂接。所以我们封装一下：

private:void*AttachShm(){//取消挂接if(_shmaddr !=nullptr)DetachShm();void*shmaddr =shmat(_shmid,nullptr,0);if(shmaddr ==nullptr){perror("shmat");}
        std::cout <<"who:"<<RoleToString()<<" attach shm..."<< std::endl;return shmaddr;}voidDetachShm(){if(_shmaddr ==nullptr)return;shmdt(_shmaddr);}public:Shm(const std::string &pathname,constint proj_id,int who):_pathname(pathname),_proj_id(proj_id),_who(who),_shmaddr(nullptr){
        _key =GetCommKey();if(_who == gCreater){GetShmForCreate();}elseif(_who == gUser){GetShmForUse();}//肯定是要进行挂接的
        _shmaddr =AttachShm();
        std::cout <<"key:"<<ToHex(_key)<< std::endl;
        std::cout <<"shmid:"<< _shmid << std::endl;}~Shm(){DetachShm();if(_who == gCreater){int res =shmctl(_shmid, IPC_RMID,nullptr);
            std::cout <<"shm remove done..."<< std::endl;}}

这样在我们构造的时候就完成了挂接，析构的时候就取消挂接了，不需要用户再来进行操作了。

为了进行通信，我们还需要通过返回地址的函数：

void*Addr(){return _shmaddr;}//清零函数！voidZero(){if(_shmaddr){memset(_shmaddr,0, ShmSize);}}

来测试一下：

非常好！！！这样就很优雅的完成了挂接的任务！！！

🎁开始通信

上面我们讲过，挂载成功之后，会返回共享内存的起始虚拟地址**（类似malloc , 在堆上申请空间，返回首地址。
所以我们使用起来也可以当成字符串来使用！
我们来进行通信试试：

来看效果：

这样就进行通信了，但是好像有些问题：

1. 共享内存不提供对共享内存的保护机制！会造成数据不一致问题！管道是有保护机制的， 可以使用管道来辅助，管道来负责告诉进程是否写完读完。
2. 我们在访问共享内存的时候没有使用任何系统调用！
3. 共享内存是所有进程IPC中速度最快的，共享内存大大减少了数据的拷贝次数！

那么我们通过向共享内存写入时也向管道中写入一个“wakeup”信息，服务器端从管道读到wakeup”信息再在共享内存中读取。这样就有了保护机制：

我们运行看看：

这样就好了！可以进行通信了！！！

5 ❤️‍🔥获取共享内存的属性

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

这个系统调用为我们提供了获取属性的输出型参数，我们如果想要获取共享内存的属性，就可以传入

IPC_STAT

 IPC_STAT
              Copy  information from the kernel data structure associated with
              shmid into the shmid_ds structure pointed to by buf.  The caller
              must have read permission on the shared memory segment.

并传入结构体

struct shmid_ds ds

我们获取到:

structshmid_ds{structipc_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;/* Creation time/time of last
                                               modification via shmctl() */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 */...};structipc_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 */unsignedshort mode;/* Permissions + SHM_DEST and
                                           SHM_LOCKED flags */unsignedshort __seq;/* Sequence number */};

这里面就包含了

key shmid...

等信息！

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

下一篇文章见！！！