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Linux_进程间通信_共享内存

news 2025/7/8 20:28:40

什么是共享内存？

对于两个进程，通过在内存开辟一块空间（操作系统开辟的），进程的虚拟地址通过页表映射到对应的共享内存空间中，进而实现通信；物理内存中的这块空间，就叫做共享内存。

共享内存的优缺点

优点：方便、接口简单、加快程序效率、不要求进程有“血缘”关系。

缺点：没有提供同步机制，需要借助其他手段进行进程间同步工作。

共享内存可以快于消息传递，但有高速缓存一致性问题。

shmget函数

功能：用来创建共享内存

参数：

        key_t key：一个键值，用于唯一标识一个共享内存段。由用户输入，不能由内核自主生成。若由内核生成，则会导致两个进程看不到同一块共享内存。你可以使用IPC_PRIVATE常量创建一个私有共享内存段，或使用ftok()函数根据文件路径生成一个唯一的键值。
        size_t size：共享内存的大小，以字节为单位。
        int shmflg：标志位，用于控制创建和获取共享内存的行为。

                IPC_CREAT：若指定的共享内存不存在，创建并返回；若已存在，获取并返回。

即保证调用进程能拿到共享内存。
                IPC_CREAT | IPC_EXCL：若共享内存不存在，创建并返回，若已存在，出错并

                                        返回。即只要成功，拿到的一定是新的共享内存(不拿旧的)！

返回值：成功时返回共享内存的标识符（一个非负整数），失败时返回-1。

// Comm代码模块
const std::string gpath = "/home/ubuntu/112/linux/lesson24-fifo";
int gprojId = 0x6666;
int gshmsize = 4096;

// Server代码模块
int main()
{// 1. 创建keykey_t k = ::ftok(gpath.c_str(), gprojId);if(k == -1){ perror("ftok errror: ");}std::cout << "k : " << ToHex(k) << std::endl;// 2.创建共享内存 && 获取int shmid = ::shmget(k, gshmsize, IPC_CREAT | IPC_EXCL);if(shmid < 0){std::cerr << "shmget error" << std::endl;return 2;}std::cout << "shmid: " << std::endl;return 0;
}

共享内存的管理指令(指令释放)

ipcs ：查询所有的system V通信方式

ipcs -m ：查询共享内存

这里的key值与上面查询的是一样的。

ipcrm -m shmid：删除共享内存

删除共享内存之后，再运行server就成功了

shmid vs key

shmid：只给用户用的一个标识shm的标识符
key：只作为内核中，区分shm唯一性的标识符，不作为用户管理shm 的id值

共享内存的管理函数(代码释放)

shmctl函数

功能：用于控制共享内存原型

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）

        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

返回值：成功返回0；失败返回-1

在上面代码的基础上，加上下面这句代码即可完成代码实现删除共享内存

shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);

ftok函数

在shmget函数中我们说到参数key是唯一的且是由用户输入的，但是用户有没有可能设置的key有冲突呢？答案是肯定的。所以，基于这个问题，我们引入了ftok函数。你只要给我一个公共的路径和一个公共的项目ID，我就会依据算法生成一个唯一值。虽然这样也有可能造成冲突，但是冲突的几率特别特别小！

// Comm模块代码
const std::string gpath = "/home/ubuntu/112/linux/lesson24-fifo";
int projId = 0x6666;

// Client / Server模块代码
#include <iostream>
#include "Comm.hpp"
int main()
{key_t k = ::ftok(path.c_str(), projId);if(k < 0){std::cerr << "ftok error" << std::endl;return 1;}std::cout << "k: " << k << std::endl;    return 0;
}

如果ftok函数返回失败时，我们就需要不断的尝试，对路径名和id值进行修改，直至成功。一般来说，有几种可能：

如果传入的路径名不存在
传入的路径名没有读取权限，无法读取该文件的索引节点号
文件的索引节点超过了8位，即超过了一个字节的范围
系统中已经使用了所有的IPC键值

shmat函数

功能：将共享内存段连接到进程地址空间原型(关联)

参数：

shmid：共享内存标识

shmaddr：指定连接的地址

shmflg：是一组按位OR（或）在一起的标志，用来控制读写权限等。它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY。若取值为SHM_RDONLY，则以只读方式连接此段，否则以读写的方式连接此段。

返回值：成功返回一个指向共享内存起始地址的指针；失败返回-1

说明：

shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址
shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。
shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则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，表示连接操作用来只读共享内存

void* ret = shmat(shmid, nullptr, 0);// 将共享内存挂接到自己的地址空间中

注意：共享内存也有权限！

shmdt函数

功能：将共享内存段与当前进程脱离原型(去关联)

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

::shmdt(ret);    // 去关联

shmdt的参数就是shmat的返回值。

共享内存的特点

优点

高效性：

共享内存是IPC通信中传输速度最快的通信方式。因为数据不需要在客户机和服务器之间拷贝，数据可以直接写到内存，避免了多次数据拷贝，从而大大提高了通信效率。
进程对共享内存的访问就如同访问自己的内存空间一样，不需要进行额外的系统调用或内核操作，进一步提升了效率。

灵活性：

允许多个进程共享数据，提供了一种灵活的通信方式。
进程间可以通过共享的内存区域进行双向通信，满足了多种通信需求。

支持大量数据传输：

适用于需要快速传递大量数据的场景，特别是在大数据处理、实时通信等领域表现突出。

缺点

具有同步相关的问题：

因为多个进程可以同时访问共享内存，因此需要额外的同步机制来避免数据不一致性问题。内核中并不提供任何对共享内存访问的同步机制，因此通常需要使用信号量等其他IPC机制进行读写同步与互斥。（例：写端要向共享内存中写入hello world，但只写了hello，读端就读走了）

安全性：

需要额外的安全机制来保护数据，防止其他进程非法访问。若未采取适当的安全措施，可能导致数据泄露或被篡改。

编程复杂性：

使用共享内存进行通信需要处理同步和数据一致性等复杂问题，编程复杂度较高。需要开发者具备深厚的操作系统和并发编程知识。

依赖操作系统支持：

共享内存的使用依赖于操作系统的支持。不同的操作系统或版本可能对共享内存的实现和管理方式存在差异，这增加了跨平台开发的难度。