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【Linux】IPC进程间通信System V：并发编程实战指南（二）

article 2024/12/27 14:43:55

🌈 个人主页：Zfox_
🔥 系列专栏：Linux

目录

  • 一：🔥 System V 共享内存
    • 🦋 共享内存的原理
  • 二：🔥 共享内存通信代码
    • 🦋 系统调用接口介绍：
    • 🦋 使用共享内存通信
    • 🦋 共享内存通信优缺点
  • 三：🔥 System V 消息队列（了解）
  • 四：🔥 System V 信号量（了解）
    • 🦋 信号量操作（PV操作）
  • 五：🔥 IPC的理解
    • 🦋 用户角度
    • 🦋 内核角度
  • 六：🔥 共勉

一：🔥 System V 共享内存

共享内存是System V进程通信中的一种方式，是本地通信

🦋 共享内存的原理

\qquad 🦁 进程在进行动态库加载时，动态库会通过页表映射到进程地址空间的共享区中。如果有多个进程要加载同一个动态库，动态库加载到内存后会被这些进程共同使用。

所以根据动态库加载的原理，操作系统可以在内存中创建一个共享内存空间，再通过页表映射到两个进程的共享区中，这样两个进程就可以看到同一份资源了。
在这里插入图片描述

操作系统可以为进程通信创造通信条件，但是什么时候通信是取决于进程，所以操作系统必须提供共享内存通信相应的系统调用接口。

  • 操作系统中会有多个进程使用共享内存通信，所以会有多个共享内存空间，这就需要操作系统统一管理这些共享内存空间。因此就有了内核数据结构 struct Shm 来管理共享内存通信。

二：🔥 共享内存通信代码

🦋 系统调用接口介绍：

#include <sys/ipc.h>  
#include <sys/shm.h> 

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
  • 用于创建获取共享内存，key_t key 是一个键值，用于唯一标识共享内存段，由用户自己给值确定，通常使用 ftok 函数随机定值；
  • size_t size 是需要分配的共享内存段的大小（以字节为单位）；
  • int shmflg 是标志位，用于控制共享内存段的创建和访问权限。
    在这里插入图片描述

常见标志位：

  • IPC_CREAT 如果要获取的共享内存不存在则创建，如果存在则获取并返回 （主要用于获取共享内存）
  • IPC_EXCL 单独使用无意义,通常 IPC_CREAT | IPC_EXCL 如果获取的共享内存不存在则创建，如果存在则报错 （主要用于创建共享内存）

返回值：

  • 成功返回共享内存标识符（非负整数shmid）；
  • 失败返回 -1，并设置errno来指示错误

\qquad 🎯 到这里一直有一个疑问，为什么共享内存的 key 值要用户传递？内核自动生成不香吗？
在这里插入图片描述

既然不能让内核生成，那就只能自己创建，并且让这两个进程都能看到。
但是让用户自己设定一个又不好，因为既没有一定的规律，又可能出现大量重复的key，然后导致创建shm失败。

  • 为了解决上述问题，系统提供了一个专门用来生成 key 的函数：ftok
    \qquad 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id)
  • 用于根据文件的属性（如inode编号）生成一个唯一的键值，
  • const char *pathname 是文件路径名，指向系统中的一个现有文件或目录（任意路径，通信进程使用相同的路径即可）；
  • int proj_id 是项目标识符，通常为一个字符或整数（任意字符或整数）。即相同路径和项目标识符生成的唯一键值是相同的。

返回值：成功返回 key 唯一键值；失败返回 -1，并设置 errno 来指示错误

\qquad
🦁 系统命令 ipcs -m 查看已存在的共享内存
在这里插入图片描述

🦁 系统命令 ipcrm -m 共享内存标识符 删除指定的共享内存，共享内存和文件不同，不会随着进程结束而结束，而是一直在内存中，只能手动删除

区分共享内存唯一键值 key 和标识符 shmid：

  • 唯一键值 key 是提供给操作系统用来创建共享内存的，操作系统创建好共享内存后返回的共享内存标识符 shmid 是用来给用户管理共享内存的。
    \qquad
  • 删除一个共享内存的系统调用：shmctl
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h> 

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

删除指定的共享内存

  • int shmid 是指定的共享内存标识符，
  • int cmd 是要操作的命令，
  • struct shmid_ds *buf 是这是一个指向 shmid_ds 结构的指针，该结构包含了共享内存段的详细信息。根据 cmd 的值，这个参数可以是输入（用于 IPC_SET）或输出（用于 IPC_STAT）的。

删除 cmd 用到的命令是 IPC_RMID

void DeleteShm()
{
    // 3. 删除共享内存
    ::shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
}
  • IPC_RMID：立即删除共享内存段。这个操作只能由共享内存的创建者或拥有适当权限的进程执行。

\qquad

  • 挂接一个共享内存的系统调用：shmat (at：attach)
#include <sys/types.h>  
#include <sys/shm.h> 

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

shmat 函数在Linux系统中用于将共享内存挂接到当前进程的地址空间中。

  • int sgmid 是共享内存的标识符；

  • const void *shmaddr 是指定共享内存连接到当前进程的地址空间的起始地址，如果这个参数为NULL，系统会自动选择一个合适的地址；

  • int shmflg 是指定连接共享内存的权限标志，常用的权限标志有SHM_RDONLY（只读连接），其他情况默认为读写模式（参数传0）。

  • 返回值：成功返回共享内存的起始地址；失败返回 -1，并将错误原因存于 errno 中。

\qquad

  • 去关联（取消挂接）一个共享内存的系统调用：shmdt (dt：delete attach) 
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr)

shmdt 函数在Linux系统中用于将进程和共享内存断开连接。
const void *shmaddr 是当前进程地址空间中共享内存段的起始地址。

  • 返回值：成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置相应的 errno。

🦋 使用共享内存通信

要想使用共享内存通信，两个进程，进程1先创建 shm && 使用；进程2 获取shm && 使用。然后一个进程向所挂接的内存中写，另一个读即可完成通信。

因此，可以将共享内存专门抽离作为一个类。
然后创建全局共享内存的对象，以便进程都能看到

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include "Time.hpp"

const std::string gpath = "/root/code"; // 必须是存在的路径
int gprojId = 0x6666;
int gshmsize = 4096;
mode_t gmode = 0600;

std::string ToHex(key_t k)
{
    char buffer[64];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", k);
    return buffer;
}

class ShareMemory
{
private:
    void CreateShmHelper(int shmflg)
    {
        // 1. 创建key
        _key = ::ftok(gpath.c_str(), gprojId);

        if (_key < 0)
        {
            std::cerr << "ftok error" << std::endl;
            return ;
        }

        // 2. 创建共享内存 && 获取
        // 注意：共享内存也有权限！
        _shmid = ::shmget(_key, gshmsize, shmflg);
        if (_shmid < 0)
        {
            std::cerr << "shmget error" << std::endl;
            return ;
        }
        std::cout << "shmid : " << _shmid << std::endl;
    }

public:
    ShareMemory() 
        :_shmid(-1)
        ,_key(0)
        ,_addr(nullptr)
    {}
    ~ShareMemory() {}

    void CreateShm()
    {
        if(_shmid == -1)
            CreateShmHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode);
    }

    void GetShm()
    {
        CreateShmHelper(IPC_CREAT);    
    }

    void AttachShm()
    {
        // 3.共享内存挂接到自己的地址空间中
        _addr = ::shmat(_shmid, nullptr, 0);
        if ((long long)_addr == -1)
        {
            std::cout << "attach error" << std::endl;
            return ;
        }
    }

    void DetachShm()
    {
        // detach
        if(_addr != nullptr)
            ::shmdt(_addr);
        std::cout << "detach done" << std::endl;
    }

    void DeleteShm()
    {
        // 3. 删除共享内存
        ::shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
    }

    void *GetAddr()
    {
        return _addr;
    }

    void ShmMeta()
    {
        struct shmid_ds buffer;    // 系统提供的数据类型
        int n = ::shmctl(_shmid, IPC_STAT, &buffer);
        if(n < 0) return ;

        std::cout << "############################" << std::endl;
        std::cout << buffer.shm_atime << std::endl;
        std::cout << buffer.shm_cpid << std::endl;
        std::cout << buffer.shm_ctime << std::endl;
        std::cout << buffer.shm_nattch << std::endl;
        std::cout << buffer.shm_perm.__key << std::endl;
    }

private:
    int _shmid;
    key_t _key;
    void *_addr;
};

ShareMemory shm;

struct data
{
    char status[32];
    char lasttime[48];
    char image[4000];
};

🦋 共享内存通信优缺点

缺点：共享内存没有任何保护机制，客户端向共享内存中写数据时，还没有写完，服务端就会从共享内存中读取数据，导致数据不一致问题。如下所示，服务端总是读出相同的数据，其实是客户端只完成了一次写入，服务端就已经读了两次。

优点：访问共享内存时没有任何系统调用，因为共享内存被映射到了进程地址空间的共享区，其是用户级别的，不需要将数据拷贝到管道中再拷贝回进程地址空间中，大大减少了拷贝次数，所以共享内存通信速度最快。

三：🔥 System V 消息队列（了解）

1. 消息队列提供了进程间发送数据块的方法，每个数据块都有一个类型标识。
2. 消息队列基于消息，而管道则基于字节流。
3. 一个或多个进程可以向消息队列写入消息，而一个或多个进程可以从消息队列中读取消息。
在这里插入图片描述

认识消息队列相关的方法：

  • msgget：获取消息队列
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflag);

在这里插入图片描述

  • ipcs -q ：查看消息队列的指令
  • ipcrm -q + id：删除消息队列指令

在这里插入图片描述

  • msgctl：消息队列删除的系统调用

在这里插入图片描述

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  • msgsnd：发送消息
  • msgrcv：接收消息

在这里插入图片描述
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由于消息具有类型，那么在接收的时候就可以接收指定类型的消息了。

🦁 经过上述的学习，我们发现它的接口与共享内存非常的相似，因为它们都遵循System V标准。

四：🔥 System V 信号量（了解）

前提知识：

  1. 共享资源：可以被多个进程访问的资源
  2. 临界资源：在系统中被多个进程共享，但在任一时刻只允许一个进程使用的资源。将共享资源保护起来就是临界资源，例如通过互斥访问的方式保护共享资源，其就变成了临界资源
  3. 临界区/非临界区：代码中有用于访问资源的代码，这些代码就叫做临界区；不访问资源的代码就叫做共享区

信号量：本质是一个对资源进行预订的计数器。

因此信号量必须解决下面两个问题：

  1. 信号量必须能被多个进程看到 。
  2. 信号量的 - - 与 ++ 操作（PV操作）必须具有原子性（原子性是指一个操作是不可中断的，即该操作要么全部执行成功，要么全部执行失败，不存在执行到中间某个状态的情况。）

  • 二元信号量：计数值只有0和1两个状态（将临界资源作为一个整体访问使用，使用的是二元信号量）

  • 多元信号量：计数值大于1（将临界资源划分为多个小资源，供多个进程访问，使用的是多元信号量）

访问临界资源的步骤：1.申请信号量 2.访问临界资源 3.释放信号量

申请信号量的本质就是对临界资源的预定

信号量和共享内存、消息队列一样，需要实现被不同的进程访问，所以信号量本身也是一个共享资源。

🦋 信号量操作（PV操作）

由于信号量也是遵循System V标准的，所以它的常用方法和前面的类似。信号量主要是用于同步和互斥的。

保护的常见方式：

  • 互斥：任何时刻，只允许一个执行流（进程）访问资源。
  • 同步：多个执行流，访问临界资源的时候，具有一定的顺序性。

因此，我们所写的代码 = 访问临界资源的代码（临界区） + 不访问临界资源的代码（非临界区）。所谓的对共享资源的保护，本质是对访问共享资源的代码进行保护。

（1）创建/获取信号量

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int nsems, int semflg)

  • key：是一个键值，用于唯一标识信号量集

  • nsems：指定信号量集中信号量的数量，通常这个值至少为1

  • semflg：是一组标志位，用于指定信号量集的属性

  • 常见标志位：IPC_CREAT：如果信号量集存在则获取并返回；如果不存在则创建

IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果信号量集存在则报错；如果不存在则创建

返回值：成功返回非零的信号量标识符；失败返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因

（2）删除信号量

#include <sys/sem.h>

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...)
  • semid：是信号量集合的标识符，由 semget 函数返回
  • semnum：信号量在信号量集合中的索引（从0开始）（如果要删除整个信号量集，则填0）
  • cmd：指定要执行的控制命令

常见命令：IPC_RMID：删除信号量集合

返回值：成功返回0；失败返回-1并设置 errno

（3）操作信号量

在这里插入图片描述

(4 ) 信号量指令：查看信号量

ipcs -s

(5) 信号量指令：删除信号量

ipcrm -s semid

五：🔥 IPC的理解

System V 是如何实现IPC的，和管道为什么不同呢？

🦋 用户角度

  • 首先我们要知道操作系统是如何管理 IPC 的：先描述，再组织。IPC有哪些属性呢？

在这里插入图片描述

根据上面我们可以发现，它们内部都有一个 ipc_perm 的东西。我们可以推测一下，在 OS 层面，IPC 是同类资源。

我们也可以获取IPC对应的属性:

void ShmMeta()
{
    struct shmid_ds buffer;    // 系统提供的数据类型
    int n = ::shmctl(_shmid, IPC_STAT, &buffer);
    if(n < 0) return ;

    std::cout << "############################" << std::endl;
    std::cout << buffer.shm_atime << std::endl;
    std::cout << buffer.shm_cpid << std::endl;
    std::cout << buffer.shm_ctime << std::endl;
    std::cout << buffer.shm_nattch << std::endl;
    std::cout << buffer.shm_perm.__key << std::endl;
}

在这里插入图片描述

🦋 内核角度

🦁 我们知道 IPC 资源要被所有进程看到，它一定是全局的。所以IPC资源在内核中一定是一个全局变量

下面我们来看内核源代码：
在这里插入图片描述
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  • 我们发现在消息队列、信号量与共享内存的源码中，结构体开头位置都是 kern_ipc_perm，这点和我们上面从用户层看到的是一样的。

此时，所有的IPC资源都可以直接被柔性数组直接指向。

例如：

p[0] = (struct kern_ipc_perm) &(shmid_kernel)
p[1] = (struct kern_ipc_perm) &(msg_queue)
p[2] = (struct kern_ipc_perm) &(sem_array)
…
那么不就可以使用柔性数组 (类型强转) ，管理所有的IPC资源了吗？数组下标就是之前的 xxxid，即 xxxget 的返回值！这也就是为什么，之前我们见到的各种 IPC资源的 id 是连续的了。

所以，所有的 IPC 资源，区分 IPC 的唯一性，都是通过 key，各类型的 IPC 资源之间的 key 也可能会冲突。

此时怎么访问IPC资源的其它属性呢？

  • 直接强转，(struct msg_queue*) p[1] ->其它属性

那么一个指针，指向结构体的第一个元素，其实就是指向了整个结构体。访问头部，直接访问；访问其它属性，做强转，这种结构不就是C++中的多态吗？

这时，我们所看到的 kern_ipc_perm 就是 基类，与之相关的三个就是子类，继承了基类，此时就可以使用基类来管理所有的子类了，这是 C语言实现多态的另一种方式。

🦁 那具体是怎么识别是哪一种子类的呢？

  • 实际在内核中，会定义各种的 ipc_ids，但是它们的 entries 指针都指向同一个 kern_ipc_perm 数组。

在这里插入图片描述

六：🔥 共勉

以上就是我对 【Linux】IPC进程间通信System V：并发编程实战指南（二） 的理解，觉得这篇博客对你有帮助的，可以点赞收藏关注支持一波~😉
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