共享内存
- 1 ❤️????前言
- 2 ❤️????共享内存的原理
- 3 ❤️????代码实现 -- 补充理论知识 -- 相关接口
- ????创建
- ????删除
- ????封装
- ????挂接到进程
- ????开始通信
- 5 ❤️????获取共享内存的属性
- Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
- 下一篇文章见！！！
1 ❤️????前言
前面我们讲解了匿名管道和命名管道，通过其底层实现，我们可以发现管道是基于文件系统的通信方式。通过文件的内存缓冲区的写端和读端的文件描述符（fd），使用对应的read / write就可以支持单向通信
也就是说管道并不是一个单独的模块，还是沿用文件的管理模块，而接下来的共享内存就是一个单独设计的通信模块
共享内存是本地通信方案（System V IPC）的一种。System V IPC包含主要有三种方式： 共享内存，消息队列 ，信号量。这些在今天逐渐被边缘化，很少再用到他们，但其中的共享内存很值得我们来学习一下，了解里面的思想。
2 ❤️????共享内存的原理
首先，共享内存是一种进程间通信的方案，那么就得满足进程间通信的需求：两个进程要看到同一块内存资源！才可以进行通信。
先来看两个进程的关系，进程具有独立性，两个进程分别会指向自己的地址空间，在通过页表映射到真的的物理地址，物理地址中储存着该进程的代码和数据。
接下来我们来看共享内存是如何实现的：
- 首先在物理内存中存在一片内存空间，这里用来管理共享内存
- 共享内存和管道的创建方式很像，一个进程通过对应的系统调用来创建共享内存，这个共享内存归OS管理。
- 再联想动态库相关知识，动态库就是加载到物理内存中，通过页表映射到进程地址空间的共享区（储存动态库函数的起止位置）。动态库可以被多个进程同时使用，就是说动态库这片内存可以被不同进程同时看到。共享内存就是类似的道理
- 那么在内存空间中假如存在这样一个空的内存，再在共享区申请一片空间，然后也通过页表映射到进程地址空间的共享区，那么不就可以让不同进程通过这个映射关系看到同一片内存了吗！不就可以在这片内存读取写入数据了吗！！！
这就是共享内存！！！
当然通过原来图也只是比较浅显的认识，接下来我们来深入探索一下！！！
- 上述创建物理内存 ， 建立页表映射等操作，只能是操作系统来做！但是操作系统并不知道什么时候来进行操作。
- 所以操作系统必须提供对应操作的系统调用，供用户进程A,B来使用
- AB 进程可以使用共享内存来通信，那CD进程也想 ，EF进程也想— 所以共享内存在操作系统中是存在多份的，供不同个数的进程来进行通信！
- 既然是存在多份的共享内存，那么操作系统就要进行统一管理 — 共享内存不是简单的一段内存空间，也要有描述并管理共享内存的数据结构和匹配的算法！！！
- 共享内存 = 内存空间（数据） + 共享内存的属性！（和进程，文件的管理很类似啊！）
接下来我们在实践中再加深我们的理解
3 ❤️????代码实现 – 补充理论知识 – 相关接口
????创建
为了使用共享内存，我们先来认识一下对应的系统调用：
SHMGET(2) Linux Programmer's Manual SHMGET(2)
NAME
shmget - allocates a System V shared memory segment
SYNOPSIS
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
DESCRIPTION
shmget() returns the identifier of the System V shared memory segment associated with the value of the argument key. It may be used either to obtain the
identifier of a previously created shared memory segment (when shmflg is zero and key does not have the value IPC_PRIVATE), or to create a new set.
shmget 接口：作用是申请一个system V 标准的共享内存
它有三个参数： （key值我们稍后再谈）
- 返回值是共享内存的标识符(和 key 不同！！！)
- size_t size : 表示要创建多大的共享内存空间（通常时候4096的N倍）
- int shmflg ：这是个标记位，会有很多的标记位（比如
IPC_CREAT和IPC_EXCL）。本质是使用位图来储存的。-
IPC_CREAT：如果要创建的共享内存不存在，就新创建一个。如果存在了就直接回去该共享内存并返回。 — 这个总能获取一个共享内存! -
IPC_EXCL：单独使用没有意义！！！只有和IPC_CREAT组合才有意义！ -
IPC_CREAT | IPC_EXCL： 如果要创建的共享内存不存在，就新创建一个。如果存在，就出错返回 — 这个如果成功返回了意味着共享内存（shm）是全新的!
-
和命名管道类似，共享内存也需要对使用者进行权限划分，创建者可以创建共享内存，使用者只需要获取即可！
那么IPC_CREAT | IPC_EXCL 就用来创建共享内存，IPC_CREAT 这个用来获取共享内存！
那么进程如何知道操作系统内存在共享内存呢？？？可以猜测：应该是通过struct shm属性里的用于标识共享内存的唯一性的字段！那这个字段如果让操作系统OS自动生成（类似PID）行不行呢？如果是OS创建的，那其他进程如何获取呢？
首先，如果是类似PID这种由操作系统建立的唯一性字段，只有该进程自己知道，其他进程是无法获取到的。所以为了其他进程可以获取到共享内存的信息就诞生了key_t key参数。这个key是用户设置的值，任何一个进程都可以得到这个key。通过系统调用把这个key植入到共享内存中，那么其他进程通过计算得到的key，就可以获取到该共享内存了！
ftok()就是用来创建key的函数,传入文件路径和一个项目ID,通过一个算法来得到key。所以任何一个进程都可以得到该key值，就可以找到该共享内存！
FTOK(3) Linux Programmer's Manual FTOK(3)
NAME
ftok - convert a pathname and a project identifier to a System V IPC key
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
接下来我们上代码：
- 首先我们来实现一个获取key的函数
- 首先需要一个路径名字pathname（取当前路径即可） 和 一个项目ID proj_id(0x66)
- 然后就可以得到一个key,我们封装一个获取key 的函数GetCommKey(const std::string& pathname , int proj_id)
- 进行测试 — 并加入把key转换为16进制的函数 std::string ToHex(key_t key)格式化输出
#ifndef __SHM__HPP__
#define __SHM__HPP__
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
const std::string pathname = "/home/jlx/code/shm";
const int proj_id = 0x66;
//转换为16进制
std::string ToHex(key_t key)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer , 128 , "0%x", key);
return buffer;
}
//获取共享内存的key
key_t GetCommKey(const std::string& pathname , int proj_id)
{
key_t key = ftok(pathname.c_str() , proj_id);
if(key < 0)
{
perror("ftok");
}
return key;
}
#endif
很好，两个进程都可以获取同一个key!!!
- 然后来对 shmget()进行封装，我们需要需要key size 标志位
//创建一个共享内存
int ShmGet(key_t key, int size)
{
int shmid = shmget(key , size , IPC_CREAT | IPC_EXCL);
if(shmid < 0)
{
perror("shmget");
}
return shmid;
}
第一次创建的shmid是 0 ，key是随机数。
为什么进程退出了，共享内存不会退出呢？？？第一次成功创建，第二次就报错–共享内存无法创建！说明共享内存不随着进程的释放而自动释放！ 创建之后一直存在，直到重启，所以释放共享内存需要一些系统调用来手动释放！共享内存的生命周期随内核
????删除
我们来看看这个共享内存在哪里：使用指令ipcs -m
这不就找到了吗！！！
删除的指令是:ipcrm -m (shmid),用户删除需要使用shmid。
为什么用户删除只能使用shmid???我们对比看看
key VS shmid
key：属于用户形成，内核使用的一个字段，用户不能使用key来进行共享内存的管理。是内核进行区分shm的唯一性的！
shmid: 内核是用户返回的一个标识符，用来进行用户级对共享内存的管理的id值保证内核与用户的解耦！
每次通过指令来删除共享内存太矬了，那有没有对应的系统调用可以让我们删除共享内存呢？
当然有了：
HMCTL(2) Linux Programmer's Manual SHMCTL(2)
NAME
shmctl - System V shared memory control
SYNOPSIS
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);也有三个参数
- int shmid：就是对应的共享内存的id
- int cmd：这是指令位（
IPC_STAT IPC_RMID IPC_INFO...）用户需要什么操作就可以传入对应指令来进行操作！ - struct shmid_ds *buf：这是内核提供的数据结构，是输出型参数，让用户可以获取共享内存的属性信息。不需要就设置为
nullptr
那么怎么删除呢？
使用指令IPC_RMID --> shmctl(int shmid , IPC_RMID , nullptr)就可以了
void ShmRemove()
{
if (_who == gCreater)
{
int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
std::cout << "shm remove done..." << std::endl;
}
}
这样就可以进行删除了
????封装
然后我们进行对共享内存的封装，把这些函数封装为Shm类，让用户可以更加方便的使用！
#ifndef __SHM__HPP__
#define __SHM__HPP__
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#define gCreater 1
#define gUser 2
const std::string pathname = "/home/jlx/code/shm";
const int proj_id = 0x66;
const int ShmSize = 4096;
class Shm
{
private:
// 转换为16进制
std::string ToHex(key_t key)
{
char buffer[128];
snprintf(buffer, 128, "0%x", key);
return buffer;
}
// 获取共享内存的key
key_t GetCommKey()
{
key_t key = ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);
if (key < 0)
{
perror("ftok");
}
return key;
}
// 创建一个共享内存
int GetShmHelper(int key, int size, int flag)
{
int shmid = shmget(_key, size, flag);
if (shmid < 0)
{
perror("shmget");
}
return shmid;
}
bool GetShmForCreate()
{
if (_who == gCreater)
{
_shmid = GetShmHelper(_key, ShmSize, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if (_shmid >= 0)
{
std::cout << "shm create done..." << std::endl;
return true;
}
}
return false;
}
bool GetShmForUse()
{
if (_who == gUser)
{
_shmid = GetShmHelper(_key, ShmSize, IPC_CREAT | 0666);
if (_shmid >= 0)
{
std::cout << "shm get done..." << std::endl;
return true;
}
}
return false;
}
public:
Shm(const std::string &pathname, const int proj_id, int who)
: _pathname(pathname), _proj_id(proj_id), _who(who)
{
_key = GetCommKey();
if (_who == gCreater)
{
GetShmForCreate();
}
else if(_who == gUser)
{
GetShmForUse();
}
std::cout << "key:" << ToHex(_key) << std::endl;
std::cout << "shmid:" << _shmid << std::endl;
}
~Shm()
{
if (_who == gCreater)
{
int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
std::cout << "shm remove done..." << std::endl;
}
}
private:
key_t _key;
int _shmid;
const std::string _pathname;
const int _proj_id;
int _who;
};
#endif
这样我们在用户级别上只需要建立一个实例化的类对象，就保证了两个进程可以看到同一内存：
????挂接到进程
上面我们已经可以正常建立共享内存了，接下来就要想办法来使用共享内存：把共享内存挂接到进程地址空间的共享区！
需要使用系统调用shmat(挂载) --- shmdt（去除挂载）
SHMOP(2) Linux Programmer's Manual SHMOP(2)
NAME
shmat, shmdt - System V shared memory operations
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);
shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)有三个参数：
- int shmid： 需要挂载的共享内存的id
- const void *shmaddr：要挂载到的地址空间位置，一般设置为nullptr
- int shmflg：挂载方式—只读，只写 ，读写
返回值：挂载成功之后，会返回共享内存的起始虚拟地址（类似malloc , 在堆上申请空间，返回首地址）
我们在类中加入挂接的函数AttachShm()（使用起来很像malloc）
void* AttachShm()
{
void* shmaddr = shmat(_shmid , nullptr , 0);
if(shmaddr == nullptr)
{
perror("shmat");
}
return shmaddr;
}
char* addr = (char*)shm.AttachShm();这样我们在用户端就可以使用共享内存了！
我们来看看挂载数会怎么变化：
这样就让共享内存挂接到了进程中的共享区！！！可以看到该共享内存的权限是666 -- 011011011 可读可写！
取出挂载的系统调用shmdt(const void *shmaddr)（类似free）传入首地址即可
void DetachShm(void* shmaddr)
{
if(shmaddr == nullptr) return ;
shmdt(shmaddr);
}
这样就可以取消挂载了！
当然， 我们建立共享内存的时候，肯定是想要进行通信的，挂接是肯定要进行的，所以用户来进行挂载显得有些多余。我们可以在共享内存建立的时候就进行挂接，析构的时候进行取消挂接。所以我们封装一下：
private:
void *AttachShm()
{
//取消挂接
if(_shmaddr != nullptr) DetachShm();
void *shmaddr = shmat(_shmid, nullptr, 0);
if (shmaddr == nullptr)
{
perror("shmat");
}
std::cout << "who:" << RoleToString() << " attach shm..." << std::endl;
return shmaddr;
}
void DetachShm()
{
if(_shmaddr == nullptr) return ;
shmdt(_shmaddr);
}
public:
Shm(const std::string &pathname, const int proj_id, int who)
: _pathname(pathname), _proj_id(proj_id), _who(who),_shmaddr(nullptr)
{
_key = GetCommKey();
if (_who == gCreater)
{
GetShmForCreate();
}
else if (_who == gUser)
{
GetShmForUse();
}
//肯定是要进行挂接的
_shmaddr = AttachShm();
std::cout << "key:" << ToHex(_key) << std::endl;
std::cout << "shmid:" << _shmid << std::endl;
}
~Shm()
{
DetachShm();
if (_who == gCreater)
{
int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
std::cout << "shm remove done..." << std::endl;
}
}
这样在我们构造的时候就完成了挂接，析构的时候就取消挂接了，不需要用户再来进行操作了。
为了进行通信，我们还需要通过返回地址的函数：
void * Addr()
{
return _shmaddr;
}
//清零函数！
void Zero()
{
if (_shmaddr)
{
memset(_shmaddr, 0, ShmSize);
}
}
来测试一下：
非常好！！！这样就很优雅的完成了挂接的任务！！！
????开始通信
上面我们讲过，挂载成功之后，会返回共享内存的起始虚拟地址**（类似malloc , 在堆上申请空间，返回首地址。
所以我们使用起来也可以当成字符串来使用！
我们来进行通信试试：
来看效果：
这样就进行通信了，但是好像有些问题：
- 共享内存不提供对共享内存的保护机制！会造成数据不一致问题！管道是有保护机制的， 可以使用管道来辅助，管道来负责告诉进程是否写完读完。
- 我们在访问共享内存的时候没有使用任何系统调用！
- 共享内存是所有进程IPC中速度最快的，共享内存大大减少了数据的拷贝次数！
那么我们通过向共享内存写入时也向管道中写入一个“wakeup”信息，服务器端从管道读到wakeup”信息再在共享内存中读取。这样就有了保护机制：
我们运行看看：
这样就好了！可以进行通信了！！！
5 ❤️????获取共享内存的属性
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); 这个系统调用为我们提供了获取属性的输出型参数，我们如果想要获取共享内存的属性，就可以传入IPC_STAT
IPC_STAT
Copy information from the kernel data structure associated with
shmid into the shmid_ds structure pointed to by buf. The caller
must have read permission on the shared memory segment.
并传入结构体struct shmid_ds ds
我们获取到:
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* Ownership and permissions */
size_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; /* Creation time/time of last
modification via shmctl() */
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 {
key_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 and
SHM_LOCKED flags */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};
这里面就包含了key shmid...等信息！