『Linux从入门到精通』第 ㉕ 期 - System V 共享内存

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共享内存是一种进程间通信的机制，允许多个进程访问同一块物理内存，以实现数据的共享。通过共享内存，进程可以直接读写共享的内存区域，而无需通过中间的数据传输机制（例如管道或消息队列）进行通信，因此共享内存是最快的IPC形式。

共享内存示意图

🐧共享内存原理

1. 创建共享内存： 在一个进程中调用系统调用（例如 shmget），请求创建一块共享内存。这个调用需要指定内存的大小以及一些标志，以控制共享内存的权限和行为。

2. 关联共享内存： 其他进程通过调用系统调用（例如 shmat）将共享内存附加到它们的地址空间中。这个调用返回指向共享内存区域的指针，使得进程可以直接读写这块内存。

3. 读写共享内存： 一旦多个进程都关联了同一块共享内存，它们就可以直接对这块内存进行读写操作，就像操作普通的内存一样。因为它们共享同一块物理内存，一个进程对共享内存的修改会立即反映到其他进程的视图中。

4. 分离共享内存： 当进程不再需要访问共享内存时，它可以调用系统调用（例如 shmdt）将共享内存从它的地址空间中分离。这并不会导致共享内存的删除，只是使得该进程无法再访问这块内存。

5. 删除共享内存： 当不再需要使用共享内存时，一个进程可以调用系统调用（例如 shmctl）请求删除共享内存。这会导致释放共享内存所占用的系统资源。

特点和注意事项：

• 共享内存提供了高效的进程间通信方式，因为数据直接存储在物理内存中，无需复制或转移。
• 进程需要谨慎地协调对共享内存的访问，以避免数据一致性问题。例如，可以使用互斥锁等同步机制。
• 共享内存的使用需要确保不同进程使用相同的数据结构和协议，以便正确地进行数据交换和共享。
• 在使用共享内存时，应注意防范竞态条件和死锁等并发编程的问题。

🐧共享内存相关函数

1. 创建共享内存区域： 使用 shmget 函数创建一个共享内存区域。该函数的原型为：

   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/shm.h>
   
   int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
   

   • key 是一个用于标识共享内存的键值。
   • size 是要分配的共享内存的大小（字节数）。
   • shmflg 是一组标志，通常使用 IPC_CREAT 表示如果内存不存在则创建。

2. 连接到共享内存区域： 使用 shmat 函数将进程连接到已经存在的共享内存区域。该函数的原型为：

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/shm.h>
   
   void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
   

   • shmid 是共享内存区域的标识符，由 shmget 返回。
   • shmaddr 通常设置为 NULL，让系统自动选择合适的地址。
   • shmflg 可以为 0。

3. 使用共享内存： 一旦连接到共享内存，进程就可以直接在这块内存中读写数据。

4. 分离共享内存： 使用 shmdt 函数将进程与共享内存脱离。该函数的原型为：

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/shm.h>
   
   int shmdt(const void *shmaddr);
   

   • shmaddr 是连接到共享内存区域的地址。

5. 删除共享内存区域： 使用 shmctl 函数可以删除或控制共享内存区域的属性。如果不再需要共享内存，可以使用 shmctl 函数的 IPC_RMID 命令删除它。函数原型为：

   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/shm.h>
   
   int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
   

   • shmid 是共享内存区域的标识符。
   • cmd 为控制命令，可以使用 IPC_RMID 表示删除共享内存。

这些函数提供了对共享内存的创建、连接、使用和删除的基本操作。

🐦key 与 shmid 区别

在上面所示的接口中，shmget 函数需要一个 key_t 类型的参数 key。而其他的函数多数用到 shmid 而不会用到 key，那么这两个参数分别是什么，有什么区别呢？

1. key（键值）：

   • key 是一个整数，用于在共享内存创建过程中唯一标识一个共享内存段。
   • 它并不是由系统自动生成的，而是由应用程序提供的，通常以某种方式与程序的逻辑相关。
   • 可以使用 ftok 函数将路径名和一个整数标识符转换为 key，以便在创建共享内存时使用。
   • key 通常用于在不同的进程之间共享相同的内存块，因此它是创建共享内存的关键参数之一。

2. shmid（共享内存标识符）：

   • shmid 是一个由系统生成的标识符，用于标识已经创建的共享内存段。
   • 在使用 shmget 函数创建共享内存时，它通过返回值返回给调用者，用于后续的操作。
   • shmid 是由系统内核分配的，通常是一个唯一的整数。
   • 通过 shmat 函数将进程连接到共享内存时，需要使用 shmid 作为参数。

总的来说，key 是在共享内存创建时由应用程序指定的用户定义的标识符，而 shmid 是由系统内核在共享内存创建时自动生成的系统级标识符。key 用于唯一标识共享内存的名字，而 shmid 用于在程序运行时标识特定的共享内存实例。

shm可以用于多个进程之间通信，在同一时刻，可能有多个共享内存被用来进行通信。所以系统中一定会有很多个共享内存同时存在，那么系统就会采取一定措施来管理这些共享内存。所以共享内存并不是单单的一块内存空间，系统会为它构建一个结构体对象来描述它。

• 所以，共享内存 = 内核数据结构 + 真正开辟的内存空间；

共享内存数据结构

struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};

两个进程使用共享内存进行通信的前提是，如何让两个进程使用同一块共享内存。内存中有许许多多的共享内存，我们如何让两个进程使用一个共享内存呢？

这就要提到另一个函数 ftok 了。

ftok 函数是一个用于生成System V IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）的键值的函数。它的主要用途是在创建System V IPC对象（如消息队列、信号量、共享内存）时，为这些对象生成唯一的键值。

函数原型如下：

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

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

• pathname 是一个与文件相关的路径名，用于生成键值。通常是指向一个存在的文件的路径。
• proj_id 是一个用户定义的整数，用于区分不同的IPC对象。在不同的IPC对象中，如果 pathname 相同，而 proj_id 不同，生成的键值也会不同。

ftok 函数通过将 pathname 转换为一个唯一的键值，以确保在不同的进程中使用相同的 pathname 和 proj_id 参数生成的键值是一致的。

一般来说，ftok 函数的使用场景是在创建System V IPC对象之前，通过调用 ftok 来生成一个唯一的键值。这个键值将被传递给诸如 msgget、semget、shmget 等函数，用于创建具体的消息队列、信号量或共享内存段。

需要注意的是，ftok 存在一些限制和注意事项，比如需要确保 pathname 指向的文件是存在的，否则 ftok 会返回 -1。此外，由于 proj_id 是一个整数，因此其范围应在0到255之间，以保证生成的键值在合理的范围内。

所以，key 是在内核中使用的，类比文件的 inode 编号。而 shmid 是给用户使用的，类比文件的文件描述符 fd。

🐧代码实例

接下来，我们就通过一个简单的代码设计来熟悉共享内存的使用。该设计的内容是，通过共享内存让两个进程（Server 与 Client）进行通信。

communicate.hpp

该头文件内提供shm所用到的函数方法。

/* communicate.hpp */

#ifndef __COMM_HPP__
#define __COMM_HPP__

#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;

#define PATHNAME "." // 文件路径（用于key生成）
#define PROJID 0x12138 // 项目ID（用于key生成）

const int gsize = 4096;

key_t getKey() // 获取键值
{
    key_t key = ftok(PATHNAME, PROJID);
    if (key == -1)
    {
        cerr << "error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl;
        exit(1);
    }
    return key;
}

static int createShmHelper(key_t key, int size, int flag)
{
    int shmid = shmget(key, gsize, flag);
    if (shmid == -1)
    {
        cerr << "error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl;
        exit(2);
    }

    return shmid;
}

int createShm(key_t key, int size) // 创建共享内存
{
    umask(0);
    return createShmHelper(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}

int getShm(key_t key, int size) // 获取共享内存
{
    umask(0);
    return createShmHelper(key, size, IPC_CREAT);
}

char *attachShm(int shmid) // 关联共享内存
{
    char *start = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0); // 将共享内存段连接到进程地址空间
    return start;
}

void detachShm(char *start) // 去关联
{
    int n = shmdt(start); // 将共享内存段与当前进程脱离
    assert(n != -1);
    (void)n;
}

void delShm(int shmid) // 释放共享内存
{
    int n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr); // 释放共享内存
    assert(n != -1);
    (void)n;
}

#define SERVER 1
#define CLIENT 0

class Init
{
public:
    Init(int type)
        : type(type)
    {
        key_t key = getKey();
        if (type == SERVER)
            shmid = createShm(key, gsize);
        else
            shmid = getShm(key, gsize);

        start = attachShm(shmid);
    }

    char *getStart() { return start; }

    ~Init()
    {
        detachShm(start);
        if (type == SERVER)
            delShm(shmid); // 只有共享内存创建者才负责释放
    }

private:
    char *start; // 起始地址
    int type;    // server or client
    int shmid;
};

#endif

Server

/* Server.cc */
#include "communicate.hpp"
#include <unistd.h>

using namespace std;

int main()
{   
    // 建立连接
    Init init(SERVER);
    char *start = init.getStart();
    
    // 开始通信
    int n = 0;
    while (n <= 30)
    {
        cout << "client -> server# " << start << endl;
        sleep(1);
        n++;
    }

    return 0;
}

Client

/* Client.cc */
#include "communicate.hpp"
using namespace std;

int main()
{
    // 建立连接
    Init init(CLIENT);
    char *start = init.getStart();
    
    // 开始通信
    char c = 'A';
    
    while (c <= 'Z')
    {
        start[c - 'A'] = c;
        c++;
        start[c - 'A'] = 0;

        sleep(1);
    }
    return 0;
}

效果展示

注意

当我们运行完一次程序后，再次运行程序会发生错误：

$ ./server 
error: 17 : File exists

原因是，上次程序运行时创建的共享内存仍然存在，可以使用 ipcs -m 指令来查看已经有的共享内存：

$ ipcs -m

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x3801203f 0          hxy        666        4096       0                       

由此可见，共享内存的生命周期是随系统的，不随进程。

我们可以使用 ipcrm -m 指令删除指定的共享内存：

$ ipcrm -m shmid

本章的内容到这里就结束了！如果觉得对你有所帮助的话，欢迎三连~