＜Linux系统复习＞共享内存

一、本章重点

1、什么是共享内存？

2、使用共享内存

3、共享内存的性质

4、基于管道+共享内存的cs通信

5、System V标准的三种进程通信

01 什么是共享内存？

1、一段用来进程通信的内核缓冲区

2、图解：

 3、系统可以创建多个共享内存，如何确保两个进程看到同一个共享内存？

 通过相同的key可以看到同一个共享内存，这个key是用来创建或获取共享内存的，用户可以传相同的key给两个进程，进程一用来创建一个全新的共享内存，进程二则用来获取进程一创建的共享内存，这样进程一和进程二就能看到相同的进程。

 4、两个进程要使用共享内存需要先做好以下几件事

①创建/获取共享内存

②关联共享内存：即地址空间和物理内存建立映射关系

③去关联：去映射关系

④删除共享内存：因为共享内存的生命周期是随操作系统的，如果不主动删除，需要重启操作系统才会删除。

02 使用共享内存

1、shmget：用于创建共享内存

 key：在系统层面上标定共享内存的唯一性，该值存放在共享内存的数据结构中，该值可以随意设置，但一般都是用ftok函数获取一个key值。

size：设置共享内存的大小，一般设置为4k的整数倍，因为操作系统在分配空间时是以4k对齐的。如果你设置为4097字节，它实际给了你8k的大小。

shmflg：设置你是要创建一个新的共享内存，还是获取一个旧的共享内存。

创建一个全新的共享内存：IPC_CREAT | IPC_EXEC | 0666

IPC_CREAT：创建一个共享内存，如果存在则返回旧的共享内存。

IPC_EXEC：不单独使用，IPC_CREAT | IPC_EXEC表示，创建一个共享内存，如果存在则出错返回，也就是说创建一个全新的共享内存。

0666:设置要创建的共享内存的权限。

返回值：出错返回-1.

 

2、ftok:获取key值

 pathname：路径名，可以随意设置，我一般用pwd的输出值。

 proj_id：项目id，随意设置。

 ftok是通过pathname和proj_id的某种算法生成一个唯一的key值。 

 返回值：失败返回-1

 

3、shmctl：完成共享内存的控制，常用于删除共享内存

 shmid：用户层标定共享内存唯一性的id。

 cmd：设置为IPC_RMID，表示你要删除共享内存。

 buf：与共享内存的结构体有关，删除设置为nullptr。

4、shmat：建立映射关系

 shmid：用户层标定共享内存唯一性的id。

 shmaddr：设置你要映射到地址空间的哪个区域，一般设置为nullptr，让操作系统帮你自动映射。

 shmflg：设置你要对共享内存进行只读还是读写，一般设置为0，代表读写。

 返回值：返回一段共享区的首地址，和malloc一样，malloc返回的是堆区的首地址。

5、shmdt：去掉映射关系

shmaddr：shmat的返回值，代表你要去关联的共享区。这个函数与free差不多。

6、写一个简单的基于共享内存的cs通信。

 

comm.hpp

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
 
#define PATH "/home/ds/vscode"
#define PROJID 0x1334
#define SIZE 4096 //建议为4k的整数倍

client.cc

#include"comm.hpp"
using namespace std;
 
int main()
{
    key_t k = ftok(PATH,PROJID);
    if(k < 0)
    {
        cerr<<"ftok error"<
    }
 
    umask(0);
    int shmid = shmget(k,SIZE,IPC_CREAT);//获取共享内存
    
    char* str = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);//关联
    //使用共享内存
    int cnt = 0;
    while(cnt < 26)
    {
        sleep(1);
        str[cnt] = 'A' + cnt;
        cnt++;
        str[cnt] = '\0';
    }
 
    shmdt(str);//去关联
    return 0;
}

server.cc

#include"comm.hpp"
using namespace std;
 
int main()
{
    key_t k = ftok((const char*)PATH,PROJID);
    if(k < 0)
    {
        cerr<<"ftok error"<
        exit(1);
    }
 
    umask(0);
    int shmid = shmget(k,SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);//创建一个全新的共享内存
    if(shmid < 0)
    {
        cerr<<"shmget error"<
    }
    char* str = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);//关联
    //使用共享内存
    while(true)
    {
        sleep(1);
        cout<<"."<
    }
    shmdt(str);//去关联
    shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);//删除共享内存
    return 0;
}

makefile

.PHONY:all
all:client server
 
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
 
server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
 
.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server

7、查看创建的共享内存

 key：在系统层面标定共享内存的唯一性

 shmid：在用户层面标定共享内存的唯一性

 owner：拥有者

 perms：访问权限

 bytes：共享内存的大小

 nattch：关联数/挂接数

 status：状态

8、删除创建的共享内存

可以用系统调用删除：shmctl

也可以用指令删除：ipcrm -m [shmid]

03 共享内存的性质

 1、所有进程通信中，共享内存速度最快，因为没有访问控制，数据拷贝次数少。

 2、没有访问控制（同步和互斥）

 3、面向数据流

 4、生命周期随内核

 5、全双工

04基于管道+共享内存的cs通信

设计思路：管道用来访问控制，共享内存来传输数据。

 client.cc

#include"comm.hpp"
using namespace std;
 
int main()
{
    key_t k = ftok(PATH,PROJID);
    if(k < 0)
    {
        cerr<<"ftok error"<
    }
 
    umask(0);
    int shmid = shmget(k,SIZE,IPC_CREAT);//获取共享内存
    
    char* str = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);//关联
    //使用共享内存
    int fd = open(PATH_PIPE,O_WRONLY);
    while(true)
    {
        cout<<"please Enter# ";
        fflush(stdout);
        ssize_t s = read(0,str,sizeof(char)*4096);
        if(s < 0)
        {
            cerr<<"read error"<
            exit(2);
        }
        else if(s == 0)
        {
            cerr<<"写端关闭"<
            exit(0);
        }
        else
        {
             str[s-1] = '\0';
        }
        write(fd,&s,sizeof(int));//告诉server已经写好了数据
    }
 
 
    // int cnt = 0;
    // while(cnt < 26)
    // {
    //     sleep(1);
    //     str[cnt] = 'A' + cnt;
    //     cnt++;
    //     str[cnt] = '\0';
    // }
    close(fd);
    shmdt(str);//去关联
    return 0;
}

 server.cc

#include"comm.hpp"
using namespace std;
 
int main()
{
    key_t k = ftok((const char*)PATH,PROJID);
    if(k < 0)
    {
        cerr<<"ftok error"<
        exit(1);
    }
 
    umask(0);
    int shmid = shmget(k,SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);//创建一个全新的共享内存
    if(shmid < 0)
    {
        cerr<<"shmget error"<
    }
    char* str = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);//关联
 
    if(mkfifo(PATH_PIPE,0666)!=0)
    {
        cerr<<"mkfifo error"<
    }
 
    int fd = open(PATH_PIPE,O_RDONLY);
 
    //使用共享内存
    while(true)
    {
        int opt = 0;
        ssize_t s = read(fd,&opt,sizeof(int));//等待client通知。
        if(s==0)
        {
            cout<<"写端关闭"<
        }
        assert(s==4);
        cout<
    }
    shmdt(str);//去关联
    shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);//删除共享内存
    close(fd);
    unlink(PATH_PIPE);
    return 0;
}

 comm.hpp

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
 
#define PATH "/home/ds/vscode"
#define PROJID 0x1334
#define SIZE 4096 //建议为4k的整数倍
 
#define PATH_PIPE ".fifo"

 makefile

.PHONY:all
all:client server
 
client:client.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
 
server:server.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
 
.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server

 

05、System V标准的三种进程通信

1、共享内存

对应操作：shmget、shmctl、shmat、shmdt

2、消息队列

对应操作：msgget、msgctl、msgsnd、msgrcv

3、信号量

对应操作：semget、semctl、semop（P操作）、semop（V操作）

4、查看和删除ipc资源

ipcs

ipcs -m/-q/-s

ipcrm -m/-q/-s

三种资源的数据结构：

 

 

三者共有的数据结构：

其中创建共享内存shmget中的key就在shmid_ds的ipc_perm中

操作系统通过数组方式将ipc资源管理起来

 使用时就强制类型转换：(struct shmid_ds*)array[0]。

6、mmap（待扩展）