Linux：进程间通信之共享内存

我们无论使用命名管道还是匿名管道，都是在文件层面上实现的通信，实际上还有基于系统层面的system v标准的进程间通信方式。

因为操作系统不相信用户，所以用户使用的时候只能通过调用的方式

进程间通信的本质：先让不同的进程看到同一份资源。

system v提供的主流方式有三个：

1.共享内存 2.消息队列（有些落伍）3.信号量

前两个以传送数据为目的，第三个以实现进程间同步后者互斥为目的。

共享内存

共享内存其实和我们之前在文件层面上进行通信的原理差不多，只不过是在操作系统层面上操作

通过系统调用，创造出一片新的内存空间，然后让两个进程都挂接到这个新的内存空间上，也就是把我们新开辟的内存空间，通过页表的映射在两个进程上，两个进程就可以拿到同一份地址空间

此时我们就让不同的进程看到了同一份资源，这种通信方案称之为共享内存

怎么创建一个共享内存：

使用shmget创建

key是自己自定义的

size通常是4kb的整数倍

shmflg有两种类型：

如果单独使用IPC_CREATE或者shmflg为0：如果不存在共享内存，则创建一个共享内存，如果创建的共享内存已经存在，直接返回当前已经存在的共享内存。（基本不会空手而归）

IPC_CREATE | IPC_EXCL：如果不存在共享内存，则创建；如果已经有了共享内存，则返回出错。意义在于如果我调用成功，得到的一定是一个最新的，没有被别人使用过的共享内存！

但是IPC_EXCL单独使用是没有意义的

使用ftok来共享

两个参数：自己设定的内存的路径，自己设定的id

增加两个概念：

key：是共享内存对于系统外部的标识符，通常是整数或字符串，也就是我们使用shemget创建共享内存时候的那个key

什么是ID:内核分配给文件的特有标识符，通常是整数

什么叫key的算法：生成id的算法

所以只要我们在生成共享内存的时候，只要我们内部的数据是一样的，并且生成id的key算法是一样的，那么这两个进程就可以共享同一块共享内存

key_t是一个特殊的类型，用于表示系统中的共享内存、消息队列和信号量等 IPC（进程间通信）机制中的键值，就像ssize_t一样

来写一个：

comm.h:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>        
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define MY_FIFO "./fifo"
#include<sys/shm.h>
#define PATH_NAME "./"
#define PROJ_ID 0X6666
#define SIZE 4097

shared.c:

#include"comm.h"
int main(){
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        perror("key");
        return 1;
    }
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL);
    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    printf("key:%u,shmid:%d\n",key,shmid);

    return 0;
}

结果：

因为共享内存文件已经创建成功了，所以第二次会返回File exists

ipcs -m是一个命令，用于显示系统中所有的共享内存段的信息

不加-m选项就是显示所有共享内存，消息队列，信号量

我们会发现:我们的进程结束后共享内存文件并没有随着进程的销毁而销毁，还能查到；如果是文件的话，当和这个文件的所有进程都被关闭后，那么文件也被关闭了。system V 的IPC资源，生命周期是随内核的！这个IPC只能通过程序员显示的释放（利用系统调用命令）或者是OS重启！（内核不死或者程序员不让它死，他就死不了）

你看我退出重连就没有了：

于是就产生了一个问题：我们拿C语言创建一个新指针或者申请一块新内存的时候，就需要free()释放，那么用shmget创建共享内存的时候，进程退出就不会造成内存泄漏吗？你也没管你的共享内存啊！

指针为什么需要free()?因为指针的内存是用malloc、colloc、realloc等动态内存函数分配的，函数分配的内存得由程序员自己释放；而共享内存是由操作系统管理的。操作系统会在进程退出时清理相关资源。但是，如果你的进程是异常退出（例如通过调用exit() 函数），那么仍然需要手动来确保资源的释放和清理。

删除共享内存的命令：

ipcrm -m shmid

我这里的shmid是1，key是0x66014933

shmid和key有什么关系？

我们来试试用key删除共享内存：

删不掉，为什么？

key是用户创建，内核使用的标识符，是OS层面进行标识唯一性的，不能用来管理共享内存的。

shmid是生成共享内存返回给用户使用的id，用来在用户层进行共享内存的管理。比如：删除它，关联/去关联。

因为命令行就是用户级的，所以使用的是shmid

使用shmctl来操作共享内存

三个参数：shmid就是shmid，cmd是一个选项，将要采取的动作（有三个可取值），shmid_ds:就是描述共享内存的数据结构，只不过它是用户层的数据结构，是内核上描述共享内存的子集。

shmid_ds的本质上就是一个结构体，用户使用共享内存的时候，通常就通过shmctl来和这个结构体交互

struct shmid_ds的内容：

返回值：成功返回0；失败返回-1

我们现在如果要删除这个共享内存，cmd置为IPC_RMID，shmid_ds置为NULL

我们在程序里试一下：

shared.c

#include"comm.h"
int main(){
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        perror("key");
        return 1;
    }
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL);
    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    printf("key:%u,shmid:%d\n",key,shmid);
    sleep(5);
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    printf("key:0x%X,shmid->%d->shm delete succes!\n",key,shmid);
    sleep(5);//此时已经删掉了

    return 0;
}

你会发现欸？我们创建着创建着，这个shmid居然还是递增的欸！这让我们想到什么？数组啊！

内核再组织IPC资源的时候是通过数组组织的。

目前我们创建的共享内存的perms是0,代表权限为0，意思就是谁都不能读谁都不能写；如果我们想创建一个有权限被读取的共享文件，就可以在创建的时候加一个0666，这样perms就变成了666。说明我们可以给共享内存设置权限，并且共享内存的权限管理依赖于文件系统，也就是一切皆文件。

#include"comm.h"
int main(){
    umask(0);
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        perror("key");
       return 1;
    }
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);//增加权限
    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    printf("key:%u,shmid:%d\n",key,shmid);
    sleep(5);
    //shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);//不删除，删除的话查询权限可能为0
    printf("key:0x%X,shmid->%d->shm delete succes!\n",key,shmid);
    sleep(5);//此时已经删掉了

    return 0;
}

shmat让进程和共享内存产生关系

功能：讲内核级的共享内存链接到地址空间

参数shmid: 共享内存标识，shmaddr:指定连接的地址，shmflg:它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值：成功返回一个指针，指向共享内存的起始地址（这个地址是虚拟地址。ps:只要用户用的地址都是虚拟地址）；失败返回-1。这个返回值如同函数malloc的返回值。

如果shmaddr为NULL的时候，os会自动选择一个地址

shmaddr不为NULL时且shmflg没有SHM_RND标记，则以shmaddr为链接地址

shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)

shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存。

shmdt去除关联关系

功能：将共享内存段和当前进程脱离

参数：shmaddr：shmat返回的指针

返回值：成功返回0，失败返回-1

使共享内存和进程脱离关系不等于删除共享内存段，起不到释放共享内存的作用

#include"comm.h"
int main(){
    umask(0);
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        perror("key");
       return 1;
    }
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    printf("key:%u,shmid:%d\n",key,shmid);
    sleep(5);
    char *mat=shmat(shmid,NULL,0);
    if(mat==(char*)-1){
        perror("shmat");
    }
    printf("attaches shm success\n");
    sleep(5);
    shmdt(mat);
    printf("detaches shm success\n");
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    printf("key:0x%X,shmid->%d->shm delete succes!\n",key,shmid);
    sleep(5);//此时已经删掉了

    return 0;
}

注意对mat的判断：因为shmat的返回值可能是指针，也可能是-1，所以不能随便解引用，应该转换类型

这样就实现了创建-挂接-去挂-删除了

来写一个利用共享内存通信的实例

写一个客户端和服务端的通信：

comm.h:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/types.h>        
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define MY_FIFO "./fifo"
#include<sys/shm.h>
#define PATH_NAME "./"
#define PROJ_ID 0X6666
#define SIZE 4097

server.c

#include"comm.h"
int main(){
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        perror("ftok");
        return 1;
    }
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|0666|IPC_EXCL);
    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    printf("key:%u,shmid:%d",key,shmid);
    printf("attaches shm success \n");  
    char *shm=(char *)shmat(shmid,NULL,0);
    if(shm==(char *)-1){
        perror("shmat");
        return 1;
    }
    //开始通信
    while(1){
        sleep(1);
        printf("%s\n",shm);
    }
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    printf("delete");

}

client.c:

#include"comm.h"
int main(){
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        perror("ftok");
        return 1;
    }
    printf("%u\n",key);
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT);
    //和server的形成规则相同，代表是同一块共享内存
    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 1;
    }
    char *shm =shmat(shmid, NULL, 0);   
    if (shm == (char *) -1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }


    printf("client process attaches success!\n");   
    char c='A';
    while(c<='Z'){
        shm[c-'A']=c;
        c++;
        shm[c-'A']=0;//向shm[0]写入A，再把shm[1]写为0，再写为B
        sleep(2);
    }    
    shmdt(shm);
    printf("client process detaches success\n");
    //client去挂接，server负责删除


}

先运行server.c,在运行client.c，此时我们看到client所写的消息就都被server读到了