systemV共享内存

news/2024/10/31 1:22:37/

systemV共享内存

共享内存区是最快的IPC形式。共享内存的大小一般是4KB的整数倍，因为系统分配共享内存是以4KB为单位的（Page）！4KB也是划分内存块的基本单位。

之前学的管道，是通过文件系统来实现让不同的进程看到同一份资源，那有没有不通过文件来实现进程间通信的呢？有！MMU这些

原理

PCB、进程地址空间、页表是每个进程各有一份的【这部分是进程】，文件系统是一个独立的，对进程来说只有一份。

在这里插入图片描述

操作步骤：

  1. 创建共享内存：为了实现进程间通信，用户通过系统调用接口在物理内存申请一块内存空间[物理内存块+共享内存相关属性struct_shm]
  2. 进程和共享内存挂接：系统将创建好的内存映射到进程的地址空间，然后交给对应进程的PCB-task_struct。
  3. 断开通信的操作：a.去关联：先取消映射关系；b.释放内存：释放该块物理内存。

malloc能申请物理内存的空间，也能为某进程创建单一的映射关系，为什么不用它呢？

malloc是做不到的！因为malloc出来的映射关系是单一的，不同的malloc之后返回的起始地址都是不一样的，无法共享。

要明确把握的概念

  1. 共享内存是一种进程间通信方式，不是内存！所有想通信的进程都可以采用。
  2. 操作系统在同一时间可以存在很多的共享内存。
  3. 共享内存是专门设计的用于IPC的，故有专门的接口。

概念

让不同的进程看到同一块内存空间。

查看ipc-systemV资源的指令

查看ipc资源ipcs -m-m表示共享内存，-q消息队列

[yyq@VM-8-13-centos 2023_02_27_SharedMemory]$ ipcs -m------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status

systemV版本的共享内存的生命周期是随OS的，不随进程！所以一定要记得及时释放资源。注意：消息队列等方式的共享内存就是随进程的。

命令行删除共享内存ipcrm -m shmid

while :; do ipcs -m; sleep 1; done

函数接口

ftok()函数 得到key

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
原型key_t ftok(const char *pathname, char proj_id);//路径名的指针pathname，自己写的8bits的非0数字proj_id
返回值成功返回一个key值；失败返回-1
Today  proj_id  is  an  int, but still only 8 bits are used.  Typical usage has an ASCII character proj_id, that is why the behavior is said to be undefined when proj_id is zero.

key保证进程看到同一块共享内存！能进行唯一性标识。key就是32位的int。

shmget()函数 得到shmid

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
功能：用来创建共享内存
原型int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数key:ftok()函数返回值，是共享内存段名字，保证该块共享内存的唯一性size:共享内存大小shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的IPC_CREAT 如果共享内存不存在，就创建；存在，则返回地址IPC_EXCL 无法单独使用，要与IPC_CREATE一起用。如果共享内存不存在，就创建；如果存在，就出错返回-->如果创建成功，就一定是一个新的共享内存
返回值成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1

IPC_CREAT、IPC_EXCL本质是宏，用二进制标志位的方式来表示选项。

需要创建共享内存的进程用IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600，后续要和该进程通信的进程使用IPC_CREATE【类似于父进程来创建匿名/命名管道，子进程直接用】。0600表示权限，可以看到perms会随之变化，若perms为0，挂接会失败。

**共享内存的大小一般要取页表大小（4096字节）的整数倍。**建议为4KB的整数倍，因为系统分配共享内存是以4KB为单位的！4KB也是划分内存块的基本单位。

shmat()函数 进程和共享内存挂接

at-attach

功能：将共享内存段连接到进程地址空间
原型void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数shmid: 共享内存标识shmaddr:指定连接的地址==NULL:核心自动选择一个地址!=NULL且shmflg!=SHM_RND:以shmaddr为链接地址!=NULL且shmflg==SHM_RND: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:连接操作用来只读共享内存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，指向共享内存第一个节；失败返回-1//假设void* ret为返回值，则判断条件为(long long)ret == -1L[强转为int的前提条件：系统为32为系统！但是linux是64位系统，指针是8个字节，而int是4字节，编译会报错]

理解key使共享内存具有唯一性，以及key和shmid间的关系和区别

ftok()函数返回值是key和shmget()函数返回值是shmid。

首先，共享内存=物理内存块+共享内存相关属性（即操作系统为管理共享内存建立的一个结构体）。

创建共享内存的时候如何保证共享内存在系统中的唯一性？通过key来实现，key类似于fd，通过shmge()t函数将key设置为struct shm{ key_t k; }k上，当共享内存属性的k一样时，就能进入同一块内核内存空间。

区别：shmid类似于fd，供用户使用，key类似于inode，用于标定系统的共享内存，是内核级的描述符；即key是系统层面用的，shmid是给用户用的，是为了解耦，fd和inode同理。

注意：成功挂接后，通过ipcs -m命令查看该块共享内存的属性，可以看到nattch的数字会++.

shmdt()函数 去关联

dt–detach

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
功能：将共享内存段与当前进程脱离
原型int shmdt(const void *shmaddr);
参数shmaddr: 由shmat所返回的指针
返回值成功返回0；失败返回-1
注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

shmctl()函数 删除共享内存段/查看共享内存属性

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>功能：用于控制共享内存
原型int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数shmid:由shmget返回的共享内存标识码cmd:将要采取的动作（有三个可取值）IPC_STAT:把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值IPC_ET:在进程有足够权限的前提下，把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds数据结构中给出的值IPC_RMID:删除共享内存段buf:指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构//当cmd为IPC_RMID时，传NULL；当使用其他cmd时，传一个struct shmid_ds{}数据结构的指针进去，就能获得共享内存的信息（所有者、权限、大小、创建时间等信息）
返回值成功返回0；失败返回-1

注意：有进程和该块共享内存挂接时，即nattch!=0，也可以完成删除操作，但是最好是先将进程去关联后再删除该块共享内存。

linux下是64位平台，无法把指针强转为int类型–8自己无法转4字节，可以把指针转成long long类型，并且给-1加上L

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x66010309 3          yyq        600        4096       0                       ------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x66010309 3          yyq        600        4096       1                       //server先挂接上------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x66010309 3          yyq        600        4096       2                       //server和client都挂接上了------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x66010309 3          yyq        600        4096       1                       //client先去关联------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x66010309 3          yyq        600        4096       0                      //server回收资源

共享内存的数据结构如下

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */ //centos用的名称是shm_permsize_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;   /* Last change time */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 */...};
struct ipc_perm { // struct shm_permkey_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 */unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST andSHM_LOCKED flags */unsigned short __seq;    /* Sequence number */};

查看共享内存属性

struct shmid_ds ds;
shmctl(shmid, IPC_STAT, &ds);
printf("%d-nattach:%d-key:%d\n", ds.shm_segsz, ds.shm_nattch, ds.shm_perm._key);

通信模块

用到的函数为

int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

向特定的区域做格式化输入，共享内存没有输入输出接口，第一种方法：和以前一样定义一个缓冲区，然后把缓冲区的memcpy过去即可；第二种方法：共享内存和进程挂接上以后，shmat函数会直接给我们返回该段共享内存映射到进程地址空间的void*指针，直接把它强转为char*即可使用。

//方式1
const char* msg = "hello server, I'm client";
pid_t pid = getpid();
int count = 1;
char buffer[1024];
snprintf(buffer,sizeof(buffer), "%s[pid:%d][消息编号:%d]", msg, pid, count);
memcpy(start, buffer, strlen(buffer) + 1);
//方式2--挂接成功的返回值可以强转为char*，字符数组就可以直接用，不用缓冲区
const char* msg = "hello server, I'm client";
pid_t pid = getpid();
int count = 1;
snprintf(start, SHM_SIZE, "%s[pid:%d][消息编号:%d]", msg, pid, count++);

总结

共享内存段的优点

所有进程间通信方式中最快的一个方式，有效减少拷贝次数。==>不用缓冲区和memcpy

共享内存段的缺点

发消息的慢5s，读消息的快1s：读消息会一直读上一条的，等发过来了再读新的。即共享内存不会进行同步和互斥操作，没有对数据进行任何保护。类比管道，写端不写，读端就会阻塞等待；读端不读，写端写到缓冲区满了就不写了。需要使用信号量来对数据进行保护。

面试题：管道和共享内存

比较一下管道和共享内存（场景包括键盘输入和显示器输出），同样的代码，如果用管道/共享内存来实现，需要经过几次拷贝？

  • 管道：4次+2次
  • 共享内存：2次+2次

在这里插入图片描述

优化：共享内存的数据保护

需要实现类似于管道的功能，client写完了再通知server，进行读取，如果client没有写入或者没通知，server就不读取。

思路：同时使用匿名管道和共享内存，用匿名管道进行通知，共享内存传递消息。


http://www.ppmy.cn/news/29831.html

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