Liunx系统 : 进程间通信【IPC-Shm共享内存】

System V

System V是Liunx中的重要的进程间通信机制，它包括（shm）共享内存，（msg）消息队列和（sem）信号量。本篇博客主要介绍其中最常用的一种方式–共享内存。

共享内存

顾名思义，共享内存是一块进程之间可以共享的内存区域，由于进程之间都是相互独立的，那么这块区域自然而然不是又某个进程开辟的，而应该是由操作系统亲自开辟。

如上图，共享内存会被进程的页表直接映射到自己的进程地址空间共享区，从而通过地址空间与页表直接访问到物理内存（可能有多层），进而对内存操作，这就是多个进程共享一块内存的基本原理。

创建共享内存

shmget

shmget 函数是 shm 中用于创建或获取共享内存段的函数。需要头文件<sys/ipc.h>和<sys/shm.h>函数原型如下：

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

返回值：

shmget返回一个整型，这个整型叫做shmid，用于标识唯一的shm。

1.key : 标识要创建或获取的共享内存段，是System V方式的唯一标识。

注意和shmid区分，shmid是用来标识唯一的共享内存(shm)。

2.size : 指定要创建的共享内存段的大小，单位为字节

注意共享内存以4kb为基本单位开辟内存，因此开辟内存的时候，这个参数最好设置为4096的倍数，哪怕你只是申请了一个字节的内存，实际上还是会开辟4kb大小的空间的。

3 . shmflg : 用于指定共享内存段访问的权限和其他选项。

这是一个用于控制共享内存的开辟方式，以及各个属性的选项，本质上是一个位图。

• IPC_CREAST ： 如果指定的key不存在，则创建一个新的共享内存段，如果已经存在，则直接获取原先的共享内存。
• IPC_EXCL：如果指定的key已经存在，则创建失败。

要注意IPC_EXCL只能配合IPC_CREAT一起使用，不能单独使用。

• 还可以按照权限值的8进制位或到第三个参数之中。

int main()
{
    int shmid = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    return 0;
}

如果只想看共享内存的方式，则ipcs -m:

一开始存在一个shmid = 0的共享内存，之后通过指令的方式删除掉了这个共享方式，除了这种方式，我们还可以通过系统接口来删除共享内存，也就是下面要介绍的shmctl接口。

控制共享内存

shmctl

shmctl 用于控制共享内存的各种属性。

1. 获取共享内存段的状态信息
2. 修改共享内存段的属性
3. 删除共享内存段

shmctl包含在头文件<sys/ipc.h>和<sys/shm.h>中，函数原型如下：

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

• 函数返回值

shmctl 函数的返回值用于指示操作是否成功：

• 成功时：返回 0，表示操作已完成且未发生错误。
• 失败时：返回 -1，并设置 errno 变量以指示具体的错误原因。常见的错误包括权限不足、无效的共享内存标识符等。

shmctl 函数有三个主要参数，它们共同决定了函数的行为：

1. shmid：这是要操作的共享内存段的标识符。通过 shmget 函数可以获取该标识符，它是后续所有操作的基础，确保函数作用于正确的共享内存段。

2. cmd：指定要执行的操作类型，它可以是以下值之一：

   • IPC_STAT：用于获取共享内存段的状态信息。此操作会将共享内存段的相关属性填充到由 buf 指向的 shmid_ds 结构体中，供程序查询和分析。
   • IPC_SET：用于设置共享内存段的某些属性。通过 buf 参数传递新的属性值，但需注意只有超级用户或拥有适当权限的进程才能执行此操作。
   • IPC_RMID：用于删除共享内存段。执行此操作后，共享内存段将被标记为可销毁，系统会在合适的时候将其从内核中移除。

3. buf：这是一个指向 shmid_ds 结构体的指针。当 cmd 参数为 IPC_STAT 时，该结构体用于接收共享内存段的当前属性；当 cmd 参数为 IPC_SET 时，该结构体则包含需要设置的新属性值。

• 相关结构体 shmid_ds

在使用 shmctl 函数时，shmid_ds 结构体是至关重要的，它包含了共享内存段的详细信息：

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;    /* 所有者和权限 */
    size_t          shm_segsz;   /* 段的大小（字节） */
    time_t          shm_atime;   /* 最后附加时间 */
    time_t          shm_dtime;   /* 最后分离时间 */
    time_t          shm_ctime;   /* 最后更改时间 */
    pid_t           shm_cpid;    /* 创建者的 PID */
    pid_t           shm_lpid;    /* 最后调用 shmat/shmdt 的 PID */
    shmatt_t        shm_nattch;  /* 当前附加次数 */
    ...
};

• shm_perm：该字段是一个 ipc_perm 结构体，包含了共享内存段的所有者、组、权限等信息，用于控制进程对共享内存段的访问权限。
• shm_segsz：表示共享内存段的大小，以字节为单位。在创建共享内存段时设置，后续操作中可通过 IPC_STAT 获取该值，或在有适当权限时通过 IPC_SET 修改。
• 时间相关字段（shm_atime、shm_dtime、shm_ctime）：分别记录了共享内存段最后被附加、分离以及更改的时间，这些信息对于监控共享内存段的使用情况非常有用。
• 进程 ID 相关字段（shm_cpid、shm_lpid）：shm_cpid 是创建共享内存段的进程的 PID，而 shm_lpid 是最后调用 shmat 或 shmdt 函数的进程的 PID，有助于追踪共享内存段的使用历史。
• shm_nattch：表示当前共享内存段被附加的次数。当进程调用 shmat 附加共享内存段时，该值会增加；当进程调用 shmdt 分离共享内存段时，该值会减少。当该值为 0 时，表示没有进程正在使用该共享内存段。

当shmctl第二个参数cmd为IPC_STAT，此时就可以获取一个共享内存的基本信息。

示例 :

int main()
{
    int id = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

    struct shmid_ds shm;

    shmctl(id, IPC_STAT, &shm);

    cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;
    cout << "ctime:" << shm.shm_ctime << endl;
    cout << "cpid:" << shm.shm_cpid << endl;

    return 0;
}

第二个参数为IPC_SET时候可以设置共享内存的某些属性。

int main()
{
    int id = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

    struct shmid_ds shm;

    shmctl(id, IPC_STAT, &shm);

    cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;
		//	140731859906331
    shm.shm_atime = 1 ;
	
	//修改shm信息
    shmctl(id, IPC_SET, &shm);

	//重新获取shm信息
    shmctl(id, IPC_STAT, &shm);

    cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;
		// 1
    return 0;
}

删除共享内存（通过接口的方式）

int main()
{
    shmctl(0, IPC_RMID, nullptr);

    return 0;
}

一开始存在一个shmid = 0 的共享内存，经过test之后，这个共享内存就被删除了。

上面我们详细讨论了如何来开辟一个共享内存，还没有真正使用这段共享内存来进行通信。

接下来，假设现在有A，B两个进程，他们通过共享内存的方式进行通信，其中A负责发送消息，B负责接收消息。

A进程的代码数据如下：

int main()
{
    key_t key = ftok("./test.cpp", 1);
    int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

    char* ptr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);

    for(int ch = 'A'; ch <= 'Z'; ch++)
    {
        ptr[ch - 'A'] = ch;
        sleep(1);
    }

    shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);

    return 0;
}

B进程的代码数据如下：

int main()
{
    key_t key = ftok("./test.cpp", 1);
    int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT);

    char* ptr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);

    while(true)
    {
        cout << ptr << endl;
        sleep(5);
    }


    return 0;
}

可以看到A向共享内存中写入数据，就被B进程读到了！

shm特性

共享内存有以下一些主要特性：

1. 内存共享：多个进程可以同时访问和修改同一块共享内存区域。这种共享内存机制可以让进程之间高效地交换数据,而无需通过系统调用或者其他进程间通信机制。

2. 快速访问：相比于其他进程间通信机制，如管道、消息队列等，共享内存的访问速度更快，因为数据直接存储在内存中，不需要进行数据的拷贝和上下文切换。

3. 灵活性：共享内存可以在进程之间自由分配和管理，大小和位置都可以灵活设置。这种灵活性使得共享内存非常适合用于复杂的进程间通信场景。

4. 同步问题：多个进程可以并发访问和修改共享内存，因此需要使用信号量、互斥锁等同步机制来协调对共享内存的访问，避免数据竞争和不一致性问题。

5. 内存分配：共享内存是由内核管理的，进程无法直接分配和释放共享内存，必须通过系统调用如 shmget() 和 shmctl() 来完成。

system V 的后两种通信方式 消息队列 msg 和 信号量 sem 都非常不常用了，不深入研究。