多进程通信之共享内存

       

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共享内存的POSIX方法

        POSIX方法的共享内存基本原理：

        详解5个核心函数的各个参数：

        示例代码：test_A创建共享内存，test_B读取共享内存 

共享内存的系统调用方法

       系统调用方法的共享内存基本原理：

        详解4个核心函数的各个参数： 

        示例代码：test_A创建共享内存，test_B读取共享内存        test_A        

        额外说明：

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        关于共享内存的讲解，我们在写代码举例的时候，往往还需要考虑一些其它事情，为了更加轻松和更加清晰的认识共享内存，我们先忽略了这些“其它事情”，在后续的代码中我会做出说明。

共享内存的POSIX方法

        首先总览一下要用到的5个关键函数：大家先浏览一下即可。

• int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode)；创建一个新的 POSIX 共享内存对象或打开一个已存在的共享内存对象。成功时返回共享内存对象的文件描述符，失败时返回-1并设置errno以指示错误原因。
• int ftruncate(int fd, off_t length)；设置与文件描述符fd关联的共享内存对象的大小为length字节。创建共享内存对象时只是创建了一个 “外壳”，需要通过此函数来分配实际的内存空间。成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。
• void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)；将共享内存对象映射到调用进程的地址空间，使得进程可以像访问普通内存一样访问共享内存。成功时返回映射区域的起始地址，失败时返回MAP_FAILED（即(void *)-1）并设置errno。
• int munmap(void *addr, size_t length)；解除之前通过mmap映射的内存区域，断开进程与共享内存对象的映射关系，但不删除共享内存对象本身。成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。
• int shm_unlink(const char *name)；删除指定名称的 POSIX 共享内存对象。只有当所有映射该共享内存对象的进程都解除映射（通过munmap）后，该共享内存对象才会真正从系统中删除。成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

        POSIX方法的共享内存基本原理：

        详解5个核心函数的各个参数：

        nt shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

• name：一个以/开头的字符串，用于唯一标识共享内存对象。不同进程可以通过相同的name来访问同一个共享内存对象，实现进程间通信。例如"/my_shared_memory"。
• oflag：打开标志，常见取值有：
  • O_CREAT：如果共享内存对象不存在，则创建它。若对象已存在，该标志通常不会导致错误，而是直接打开已存在的对象。
  • O_RDONLY：以只读方式打开共享内存对象。
  • O_RDWR：以读写方式打开共享内存对象。
• mode：当使用O_CREAT创建共享内存对象时，mode用于设置其权限，类似于文件权限设置。例如，0666表示所有者、组和其他用户都有读写权限；0600表示只有所有者有读写权限。这个参数仅在使用O_CREAT时有效。

        int ftruncate(int fd, off_t length);

• fd：由shm_open函数返回的共享内存对象的文件描述符。
• length：要设置的共享内存对象的大小，以字节为单位。这个大小必须是系统页大小（通常为 4096 字节）的整数倍。

        void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

• addr：通常设为NULL，表示由系统自动选择合适的地址进行映射。如果不为NULL，系统会尽量使用该地址作为映射起始地址，但并不保证一定使用。
• length：要映射的共享内存区域的长度，以字节为单位，应与之前ftruncate设置的大小一致。
• prot：指定映射区域的保护权限，常见取值有：
  • PROT_READ：映射区域可读。
  • PROT_WRITE：映射区域可写。
  • PROT_EXEC：映射区域可执行（用于映射共享库等可执行代码）。
  • PROT_NONE：映射区域不可访问。
  • 这些标志可以通过逻辑或（|）组合使用，比如PROT_READ | PROT_WRITE表示映射区域可读可写。
• flags：指定映射的类型和其他一些选项，常见取值有：
  • MAP_SHARED：对映射区域的写入会反映到共享内存对象中，同时其他映射该对象的进程也能看到这些修改，实现进程间共享数据。这是进程间通信的关键。
  • MAP_PRIVATE：对映射区域的写入不会反映到共享内存对象中，而是产生一个写时复制（Copy - On - Write）的效果，即当进程对映射区域进行写入操作时，系统会为该进程分配新的物理页面，而原始共享内存对象不受影响。
• fd：由shm_open返回的共享内存对象的文件描述符。
• offset：通常设为0，表示从共享内存对象的起始位置开始映射。必须是系统页大小的整数倍。

        int munmap(void *addr, size_t length);

• addr：由mmap返回的映射区域起始地址。
• length：映射区域的长度，应与mmap时的长度一致。

        int shm_unlink(const char *name);

• name：要删除的共享内存对象的名称，即shm_open函数中使用的名称。

        示例代码：test_A创建共享内存，test_B读取共享内存
        test_A
 

#include <iostream>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>        
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
// test_A用于创建共享内存，让另一个程序test_B来读。int main()
{// 创建共享内存// int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode)；int shm_fd = shm_open("/my_share_memory",O_CREAT | O_RDWR,0666);// 设置共享内存大小// int ftruncate(int fd, off_t length);ftruncate(shm_fd,4096);// 将共享内存映射到进程地址空间,并且设置MAP_SHARED,对映射区域的修改会映射到共享内存中// void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);void *ptr = mmap(NULL,4096,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,shm_fd,0);// 在映射区域中输入"I am test_A"char message[] = "I am test_A";strcpy((char *)ptr, message);sleep(30);munmap(ptr, 4096);close(shm_fd);return 0;
}

        test_B
 

#include <iostream>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>        
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
using namespace std;
// test_B用于读取共享内存中的数据
int main()
{// 获取共享内存// int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode)；int shm_fd = shm_open("/my_share_memory",O_RDWR,0666);// 无需设置共享内存大小// 将共享内存映射到进程地址空间,并且设置MAP_SHARED,对映射区域的修改会映射到共享内存中// void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);void *ptr = mmap(NULL,4096,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,shm_fd,0);// 读取共享内存中的数据cout <<"test_B see: " << (char*)ptr << endl;munmap(ptr, 4096);close(shm_fd);shm_unlink("/my_share_memory");return 0;
}

        注意编译的时候要指定链接选项“-lrt"
        输出结果为：

        上述代码示例足以说明共享内存的逻辑，只不过稍有一些与共享内存原理无关的小问题；例如：test_A万一还没把数据写入共享内存，test_B就开始读了。例如：假如双方同时往共享内存中写数据，不就乱套了。但是这些问题是另一些话题上的了。

共享内存的系统调用方法

        首先总览一下要用到的4个关键函数：大家先浏览一下即可。

• int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);创建一个新的共享内存段或获取一个已存在的共享内存段的标识符。成功时返回共享内存段的标识符（一个非负整数），失败时返回 -1 并设置 errno 以指示错误原因。
• void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);将共享内存段连接到调用进程的地址空间，使得进程可以访问共享内存。成功时返回指向共享内存段的指针，失败时返回 (void *)-1 并设置 errno。
• int shmdt(const void *shmaddr);将共享内存段从调用进程的地址空间分离。注意，这并不删除共享内存段，只是断开进程与共享内存段的连接。成功时返回指向共享内存段的指针，失败时返回 (void *)-1 并设置 errno。
• int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);对共享内存段执行各种控制操作。成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

       系统调用方法的共享内存基本原理：

        详解4个核心函数的各个参数：
        int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• key：一个 key_t 类型的值，用于唯一标识共享内存段。通常可以使用 ftok 函数生成一个 key。不同进程使用相同的 key 来获取同一个共享内存段，实现进程间通信。
• size：指定共享内存段的大小，以字节为单位。这个大小必须是系统页大小的整数倍。
• shmflg：一组标志位，用于控制共享内存段的创建和访问权限。常见的标志有：
  • IPC_CREAT：如果共享内存段不存在，则创建它。
  • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，如果共享内存段已存在，则 shmget 调用失败。
  • 权限标志：如 0666 表示所有者、组和其他用户都有读写权限。

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

• shmid：由 shmget 函数返回的共享内存段的标识符。
• shmaddr：通常设为 NULL，表示让系统自动选择合适的地址进行连接。如果指定非 NULL 地址，系统会尽量使用该地址，但不保证一定使用。
• shmflg：标志位，常见取值有 SHM_RDONLY（以只读方式连接），若设为 0 则以读写方式连接。

        int shmdt(const void *shmaddr);

• shmaddr：由 shmat 函数返回的指向共享内存段的指针。

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

• shmid：共享内存段的标识符。
• cmd：要执行的命令，常见的命令有：
  • IPC_RMID：删除共享内存段。
  • IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，填充到 buf 指向的结构体中。
  • IPC_SET：设置共享内存段的属性，如权限等，属性信息来自 buf 指向的结构体。
• buf：一个指向 struct shmid_ds 结构体的指针，用于传递或接收共享内存段的相关信息，具体取决于 cmd 的值。当 cmd 为 IPC_RMID 时，该参数可以为 NULL。

        示例代码：test_A创建共享内存，test_B读取共享内存
        test_A
        

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
// test_A用于创建共享内存，让另一个程序test_B来读。int main()
{// 创建共享内存int shmid = shmget(1234, 4096, IPC_CREAT | 0666);// 将共享内存连接到进程地址空间char *shm = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);// 在映射区域中输入"I am test_A"char message[] = "I am test_A";strcpy(shm, message);sleep(30);// 分离共享内存shmdt(shm);return 0;
}

        test_B
 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <iostream>
using namespace std;
// test_B用于读取共享内存中的数据
int main()
{// 获取共享内存int shmid = shmget(1234, 4096,0666);// 将共享内存连接到进程地址空间char *shm = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);// 接收数据cout << "test_B see: " << shm << endl;// 分离共享内存shmdt(shm);// 删除共享内存段shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

        额外说明：

        如果shmget用于创建共享内存，则这段共享内存的所有字节都被初始化为0,与之关联的内核数据结构shmid_ds将被创建并初始化。shmid_ds结构体的定义如下：

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    /* 共享内存段的权限结构 */size_t          shm_segsz;   /* 共享内存段的大小（字节数） */time_t          shm_atime;   /* 上次连接到共享内存段的时间 */time_t          shm_dtime;   /* 上次从共享内存段分离的时间 */time_t          shm_ctime;   /* 共享内存段的创建时间或上次修改时间 */pid_t           shm_cpid;    /* 创建共享内存段的进程的 PID */pid_t           shm_lpid;    /* 上次对共享内存段执行操作的进程的 PID */shmatt_t        shm_nattch;  /* 当前连接到共享内存段的进程数 *//* 以下字段是系统保留字段，应用程序一般不应直接访问 */void            *shm_unused1; void            *shm_unused2; void            *shm_unused3; 
};

        shmget对shmid_ds结构体的初始化包括：

• 将shm_perm.cuid和shm_perm.uid设置为调用进程的有效用户ID。
• 将shm_perm.cgid和shm_perm.gid设置为调用进程的有效组ID。
• 将shm_perm.mode的最低9位设置为shmflg参数的最低9位。
• 将shm_segsz设置为size。
• 将shm_lpid、shm_nattach、shm_atime、shm_dtime设置为0。
• 将shm_ctime设置为当前的时间。

        shmid_ds结构体与shmctl()一起用于对共享内存段信息的获取。

        对于共享内存更加完善的应用，在后续文章中会进行说明。