Linux入门——09 共享内存

news2024/10/2 6:31:39

1.共享内存原理

OS内的每个进程都会有自己的内核结构（task_struct）和虚拟地址空间,通过页表与物理内存进程映射。

如果让两个不同的进程共享内存，首先就是在内存中申请一块空间（共享内存），

然后将建立好的内存映射到进程的虚拟地址空间上（进程和共享内存挂接）。

两个内存都映射统一块物理地址空间，就是看到了统一块资源，就建立了通讯。

如果未来不想通讯了，就取消进程与内存的映射关系（去关联），释放内存。

理解：

  1. 进程间通讯，是专门设计的，用来IPC
  2. 共享内存是一种通讯方式，所有想通讯的进程，都可以用
  3. OS一定会存在很多共享内存

概念：通过让不同内存，看到同一内存块的方式：共享内存

共享内存是最快的IPC形式

2.实现共享内存

2.1shmget获得共享内存函数

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数：

key:保证看到的是同一份内存，内进行唯一性标识。（就像身份证号是什么不重要，它能保证你的唯一性）

key可以通过ftok获取。只要保证路径和id进行计算得到同一个数字key，就能保证看到同一个共享内存

size：共享内存大小，共享内存大小,一般为4kb（4096字节）的整数倍 （系统分配是按内存块分配的，内存块的基本单元为4kb）//如果是4097内核会给你向上取整，给你8kb。但是当用ipcs查看，确实是4097,!!!要知道给你的和能用的是两码事。

shmflg：IPC_CREAT IPC_EXCL(本质是标志位)

IPC_CREAT：如果创建的共享内存不存在，创建，如果存在，获取之。默认0也是如果创建的共享内存不存在，创建，如果存在，获取之。

IPC_EXCL：无法单独使用，IPC_EXCL | IPC_CREAT:如果不存在创建，如果存在，报错返回。 -------》如果创建成功，一定是一个新的共享内存

返回值：

成功，返回一个共享内存的标识符，错误返回-1

int getShmHelper(key_t k,int flag)

{

    int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flag);

    if(shmid < 0)

    {

        std::cerr

        exit(2);

    }

    return shmid;

}

//创建共享内存

int createShm(key_t k)

{

    return getShmHelper(k , IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600); //注意这里创建的权限，如果不加0600,后面挂接的时候就没有读和写的权限

}

如果不加权限0600，创建出来的共享内存的权限就为0,下图正perms就为0

 

2.2 ftok函数（转化，将一个路径和项目标识符转化为一个System V 的IPC的key）

参数：key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

pathname：路径

proj_id：项目id,自己随便写的标识符就行

主要功能就是将路径和id进行计算得到一个数字key

返回值：成功返回key,失败返回-1，

2.2.1理解key的意义

  • OS一定会存在很多个共享内存
  • 申请一个空间，TODO
  • key是什么不重要，能进行唯一性标识重要

malloc一个多大的空间，而free只用一个申请的起始地址 -------》我怎么知道要释放多少个，因为每次申请的时候，都会多给你一些空间，用来维护这个空间，所以只用起始地址就可以了‘；

共享内存同样也是，它也要管理。先描述再组织-------》共享内存=物理内存块+共享内存的相关属性

创建共享内存的时候，如何保证共享内存在系统中的唯一的？--------key!就相当与门牌号

key在那？在共享内存的相关属性里

在内核中struct shm

{

        key_t key;

}

在我们调用ftok创建共享内存块的时候，就会传进去一个key,把本质是将key传入创间好的共享内存的属性key中。

当另一个进程要通讯的时候会根据key，遍历所能通讯的共享内存块。

总结：key是要通过shmget，设置进共享内存属性中的！用来标识共享内存在内核中的唯一性

2.2.1shmid

shmid vs key有点像fd vs inode

inode是每个文件的唯一编号，fd描述符可以通过整数，快速让上层找到对应的文件

shmid就是用特定的key标识特定的共享内存，通过整数让上层快速访问共享内存

为什么怎么麻烦呢？用一个不就行了，这样不便于解耦，就像在公司 你要有员工号，你这个员工号没了，并不影响你在国家的身份证号 ，互不干扰。

3.代码实现共享内存

3.1comm.hpp

#ifndef _COMM_HPP_
#define _COMM_HPP_

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>


#define PATHNAME "/home/lin/Desktop/Linux_learn/sharem"
#define PROJ_ID 0x66
#define MAX_SIZE 4096  //字节，一共4kb

//获得shmget所需要的key
key_t getKey()
{
    key_t key = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
    if(key < 0)
    {
        // cin,cout,cerr--->stdin,stdout,stderr---> 0,1,2
        std::cerr<< errno <<":"<< strerror(errno) << std::endl;
        exit(1);
    }

    return key;
}

int getShmHelper(key_t k,int flag)
{
    int shmid = shmget(k,MAX_SIZE,flag);
    if(shmid < 0)
    {
        std::cerr << errno <<":"<< std::strerror(errno) << std::endl;
        exit(2);
    }
    return shmid;
}


//创建共享内存
int createShm(key_t k)
{
    return getShmHelper(k , IPC_CREAT | IPC_EXCL);
}



//获得共享内存
int getShm(key_t k)
{
     return getShmHelper(k , IPC_CREAT /*0*/);
}


//删除共享内存
int delShm(int shmid)
{
    if(shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr)==-1)
    {
        std::cerr <<errno <<":" << std::strerror(errno) <<std::endl;
        return -1;
    }
    else
    {
        return 0;
    }
}


#endif

3.3.2shm_server.cc

#include "comm.hpp"

int main()
{
    key_t key = getKey(); 
    printf("0x%x\n",key); 

    int shmid =  createShm(key);
    printf("%d\n",shmid); 

    sleep(5);
    delShm(shmid);

    return 0;
}

3.3.3shm_client.cc

#include "comm.hpp"

int main()
{
    key_t key = getKey(); 
    printf("0x%x\n",key); 

    int shmid =  getShm(key);
    printf("%d\n",shmid); 

    return 0;
}

当我们第一次执行./sshm_server的时候是成功的，当第二次执行会报错

可以看出来，进程结束的时候，申请的共享内存资源依然没有释放。-----》共享内存的声明周期是随操作系统的，不是随进程的。

这是system V的共性（消息队列，信号量数组）

4.查看共享内存&删除共享内存指令

ipcs命令 //查看共享内存

ipcs -m // -m代表共享内存

ipcs -q //-q代表消息队列

ipcs -s //-s代表信号数组

ipcs(system V的消息队列，共享内存，信号数组)

ipcrm -m shmid //删除共享内存

ipcrm -q shmid //删除消息队列

ipcrm -s shmid //删除信号数组

5.shmctl共享内存删除函数

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

参数:

        shmid:共享内存id

        cmd:控制命令：

                IPC_STAT：从内核中将共享内存的属性获取下来

                IPC_SET：将设置好的共享内存属性设置到内核中

                IPC_RMID：立即移除共享内存

        struct shmid_ds *buf:获取共性内存的属性到结构体中打印下来，

                不同的结构体或区不同的属性，一般设为nullptr

                        IPC_INFO

                        SHM_INFO

                        SHM_STAT

                        SHM_LOCK

                        SHM_UNLOCK

返回值：

当执行删除的时候，成功返回0,失败返回-1；

6.共享内存的关联

6.1shmat共享内存关联函数

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数：
    int shmid：表示跟那个共享内存关联起来
    const void *shmaddr：将这块共享内存映射到那块共享空间当中（百分百不使用，不知道映射到哪，一般为nullptr）
    int shmflg:跟读写权限有关，默认为0，就可以
    
    
返回值：void *shmat：返回的是映射好的地址空间，将在虚拟地址空间的起始地址给返回，等价于malloc
    成功返回起始地址
    错误返回-1

举例
//给共享内存产生相关联

void *attchShm(int shmid)
{
    void * mem =shmat(shmid,nullptr,0);
    if((int)mem == -1)
    {
        std::cerr <<errno <<":" << std::strerror(errno) <<std::endl;
        exit(3);
    }
    return mem;

}

6.2shmdt在使用完共享内存的时候去关联，不要粗暴的直接删除

去掉映射关系，删除页表与地址空间和物理内存的关联

int shmdt(const void *shmaddr);   //detach
参数：
    const void *shmaddr：将这块共享内存映射到那块共享空间当中的关系去掉 ，是shmat的返回值
          
返回值：
    成功返回0
    错误返回-1

7.生命周期随内核

7.1优点

  • 所有通讯方式中最快的！因为共享内存是双方在内存中共享数据，数据只要在内存就被双方看到，大大减少拷贝次数。

7.2缺点 

  • 不给我们进行同步和互斥的，没有对数据进行任何保护！管道有（有了再读，写满停止）

8.创建共享内存并使用

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    // 1.得到key
    key_t key;
    key = ftok("./keytest",100);
    if(key < 0 )
    {
        printf("ftok error\n");
        return -1;
    }
    printf("key = %d\n",key);
    // 2.创建共享内存
    int shmid;
    shmid = shmget(key,512,0666);
    if(shmid < 0 )
    {
        printf("shmget error\n");
        return -1;
    }
    printf("shmid = %d\n",shmid);
    // 3.映射共享内存
    char *buffer;
    buffer = shmat(shmid,NULL,0);
    if(buffer < 0)
    {
        perror(buffer);
        return -1;
    }
    // 4.读
    printf("读：%s\n",buffer);


    return 0;
}

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