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进程间通信————system V 共享内存

news 2025/7/29 13:33:31

1.进程通信的本质

使不同进程能够访问同一份共享资源，通过对这份资源的读写操作来实现数据交换或同步协作。

2.共享内存原理

共享内存的原理与动态库相似，其过程是操作系统先在物理内存中创建一份空间，再通过页表将该物理空间映射到进程地址空间的共享区，最后向应用层返回该映射的起始地址，用户便可直接访问。其他进程也能通过同样的方式，将这份内存通过页表映射到自己进程地址空间的共享区，进而获得起始地址并返回给应用层。从此往后两个进程就可以通过各自的列表访问同一块物理内存。

注意：以上的操作都不是进程直接做的，是由操作系统直接操作的。

进程间通信的底层实现依赖操作系统的核心管理能力，尤其是共享内存这类直接操作物理内存的机制，完全是由操作系统主导的。

因为后续可能有其他进程也想进行共享内存进行通信，所以操作系统还需要管理物理内存，而这一管理逻辑始终遵循 “先描述、再组织” 的方式：通过内核结构体（如专门定义的共享内存描述符）对每块共享内存的关键属性（如物理地址、大小、权限、引用关系等）进行精确刻画，以此建立对资源的 “认知”；进而，借助链表、数组或哈希表等数据结构将这些描述结构体有序组织，形成可高效检索、遍历与维护的管理体系。

3.总结步骤

3.1 创建与访问步骤

  1. 操作系统先在物理内存中开辟一块专用空间，作为进程间共享的基础资源；
  2. 借助页表机制，将这块物理空间映射到参与通信的进程各自地址空间的共享区域，建立虚拟地址与物理地址的关联；
  3. 向应用层返回映射后的虚拟地址起始位置，进程即可通过该地址直接读写共享内存，实现数据交互。

3.2 内存释放逻辑（去关联过程）

  1. 当进程不再使用时，先解除自身地址空间与共享内存的映射关系（断开页表关联）；
  2. 待所有关联进程均完成解除映射后，操作系统最终释放对应的物理内存资源。

4.相关接口

4.1 ftok 生成共享内存键值

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

参数：

  • pathname：已存在的文件 / 目录路径（进程可访问，用于生成唯一标识）。
  • proj_id：8 位非 0 整数（1-255），相同路径 + 不同proj_id生成不同key。

返回值：

  • 成功返回key_t键值。
  • 失败返回-1（设errno）。

4.2 shmget 创建 / 获取共享内存

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

参数：

  • key：ftok生成的键值，标识共享内存。
  • size：共享内存大小（创建时需指定，获取时设为 0）。
  • shmflg：标志位（组合使用）：
    • IPC_CREAT：不存在则创建，存在则获取。
    • IPC_CREAT | IPC_EXCL：确保创建新段（已存在则报错）。
    • 权限标志（如0666）：指定读写权限。

返回值：

  • 成功返回shmid（共享内存标识符）。
  • 失败返回-1（设errno）。

4.3 shmat 映射共享内存到进程

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

参数：

  • shmid：shmget返回的共享内存标识符。
  • shmaddr：映射的起始地址（NULL表示由系统自动分配，推荐）。
  • shmflg：连接方式（0为默认读写；SHM_RDONLY为只读）。

返回值：

  • 成功返回进程内的共享内存起始地址。
  • 失败返回(void *)-1。

4.4 shmdt 解除映射

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

参数：shmaddr为shmat返回的共享内存起始地址。
返回值：

  • 成功返回0。
  • 失败返回-1（设errno）。

4.5 shmctl 控制 / 释放共享内存

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

参数：

  • shmid：共享内存标识符。
  • cmd：控制命令：
    • IPC_RMID：删除共享内存（仅所有者或 root 可执行），需所有进程解除映射后才释放物理内存。
    • IPC_STAT：获取共享内存状态（存到buf中）。
  • buf：状态结构体指针（IPC_RMID时设为NULL）。

返回值：

  • 成功返回0。
  • 失败返回-1（设errno）。

5.代码示例

5.1 创建一个共享内存支持两个进程进行通信。进程A 向共享内存当中写 “I am process A”，进程B 从共享内存当中读出内容并打印到标准输出。

正确分工：

  • 服务端（接收端）进程负责创建和销毁共享内存
  • 客户端（发送端）进程只需连接到存在的共享内存

com.hpp

// com.hpp
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>// 定义共享内存相关常量
#define pathname "/practice/lesson-test/pro_communication/sharedmem"
#define proj_id 0x6666
#define size 4096// 错误码枚举
enum
{FIFO_ERROR = 1,UNLINK_ERROR,OPEN_ERROR,READ_ERROR,FTOK_ERROR,SHMGET_ERROR
};// 获取共享内存键值
key_t getKey()
{int key = ftok(pathname, proj_id);if (key == -1){perror("ftok");exit(FTOK_ERROR);}return key;
}// 辅助函数：获取共享内存标识符
int getshmidHelper(int shmflg)
{key_t key = getKey();int shmid = shmget(key, size, shmflg);if (shmid == -1){perror("shmget");exit(SHMGET_ERROR);}return shmid;
}// 创建共享内存（如果不存在）
int creatshmflg()
{return getshmidHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}// 获取已存在的共享内存
int getshmflg()
{return getshmidHelper(IPC_CREAT);
}

processA.cpp

// processA.cpp
#include "com.hpp"int main()
{// 获取共享内存标识符int shmid = getshmflg();// 将共享内存映射到当前进程的地址空间char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);// 循环发送消息while (true){// 从标准输入读取消息并写入共享内存cout << "A sends a message to B:";fgets(shmaddr, size, stdin);}// 解除共享内存映射shmdt(shmaddr);return 0;
}

processB.cpp

// processB.cpp
#include "com.hpp"int main()
{// 创建共享内存（如果不存在）int shmid = creatshmflg();// 将共享内存映射到当前进程的地址空间char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);// 循环接收消息while (true){// 从共享内存读取消息并输出cout << "B received a message from A:" << shmaddr;sleep(1);}// 解除共享内存映射shmdt(shmaddr);// 删除共享内存shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);return 0;
}

5.2 获取共享内存的属性

5.2.1 与共享内存相关的结构体

struct shmid_ds  用于存储共享内存段的详细属性信息。
struct ipc_perm  用于描述 IPC 资源（包括共享内存、消息队列、信号量）的权限和所有权。

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    /* 共享内存的所有权和权限信息 */size_t shm_segsz;   /* 共享内存段的大小（单位：字节） */time_t shm_atime;   /* 最后一次关联的时间 */time_t shm_dtime;   /* 最后一次调用 shmdt() 分离共享内存的时间（UNIX 时间戳） */time_t shm_ctime;   /* 最后一次修改共享内存属性的时间（如权限变更、大小调整等） */pid_t shm_cpid;    /* 创建该共享内存段的进程 PID（调用 shmget 创建的进程） */pid_t shm_lpid;    /* 最后一次执行关联或去关联进程 PID（最近操作的进程） */shmatt_t shm_nattch;  /* 当前附加到该共享内存段的进程数量（引用计数，0 表示无进程使用） */...                          /* 系统特定的扩展字段（不同内核版本可能有差异） */
};
struct ipc_perm {key_t __key;    /* 创建共享内存时使用的 key 值（由 ftok指定） */uid_t uid;      /* 共享内存当前所有者的有效用户 ID（可通过 IPC_SET 修改） */gid_t gid;      /* 共享内存当前所有者的有效组 ID（可通过 IPC_SET 修改） */uid_t cuid;     /* 共享内存创建者的有效用户 ID（创建后不可修改） */gid_ cgid;     /* 共享内存创建者的有效组 ID（创建后不可修改） */unsigned short mode;     /* 权限位 */unsigned short __seq;    /* 系统内部序列号（用于防止 IPC 资源重复，内核自动维护） */
};

5.2.2 代码实现

结合5.1的代码将processB.cc代码修改即可

#include "com.hpp"  int main()
{int shmid = creatshmflg();char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);// 定义struct shmid_ds结构体变量，用于存储共享内存的状态信息// 该结构体由内核维护，包含共享内存的大小、连接数、权限等属性struct shmid_ds shmds;// 循环读取并打印共享内存中的数据，同时获取共享内存状态信息while (true){// 从共享内存中读取进程A发送的消息并打印cout << "B received a message from A:" << shmaddr;// 休眠1秒，避免频繁打印sleep(1);// 通过shmctl系统调用获取共享内存的状态信息，存储到shmds中// IPC_STAT命令表示：获取共享内存的属性，并存入第三个参数指向的结构体shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmds);// 打印共享内存的大小（字节数），shm_segsz是结构体中记录共享内存大小的成员cout << "shm size:" << shmds.shm_segsz << endl;// 打印当前连接到该共享内存的进程数（nattch = number of attach）cout << "shm nattch:" << shmds.shm_nattch << endl;// 以十六进制形式打印共享内存的大小（与上面的十进制对应，方便对比）printf("0x%x\n", shmds.shm_segsz);// 打印共享内存的权限模式（类似文件权限，如0666）cout << "shm mode:" << shmds.shm_perm.mode << endl;}shmdt(shmaddr);shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);return 0;
}

6.相关命令

6.1 查看系统中共享内存信息

ipcs -m

输出信息说明：

  • key：共享内存的键值，用于唯一标识共享内存段
  • shmid：共享内存的唯一 ID，操作共享内存时需使用该 ID
  • owner：共享内存的所有者（用户）
  • perms：共享内存的访问权限（类似文件权限，如 644、755 等）
  • bytes：共享内存段的大小（单位：字节）
  • nattch：当前连接到该共享内存段的进程数
  • status：共享内存的状态（如是否被标记为删除）

6.2 删除共享内存标识

ipcrm -m [shmid]  # [shmid] 替换为实际的共享内存ID

具体来说，它会标记对应的共享内存段为待删除状态，当所有关联到该共享内存段的进程都通过 shmdt  系统调用完成拆离后，系统会真正释放该共享内存段所占用的资源（包括内存空间和相关内核数据结构）。

7.共享内存的特性

  1. 生命周期：共享内存的生命周期是随内核的，用户主动关闭或者内核重启，共享内存才会释放。
  2. 同步与互斥：无内置保护机制，需用户自行实现同步（如结合信号量、管道等），否则可能出现数据不一致问题。
  3. 通信效率：是所有进程间通信方式中速度最快的，因为数据直接在共享内存中读写，无需内核中转；仅需一次映射（shmat），之后操作无系统调用开销（拷贝次数极少）。
  4. 数据管理：共享内存中的数据完全由用户进程维护，操作系统不参与数据的读写或格式处理。

8.扩展：解决共享内存没有同步互斥的保护机制的问题

在共享内存的通信中，由于其本身没有同步互斥机制，可能出现 “读方没准备好就读” 或 “写方没写完就被读” 的问题。而命名管道（FIFO）可以通过 “信号传递” 的方式，为共享内存提供简单的同步机制，原理如下：

  • 命名管道的特性：命名管道是一种半双工的通信方式，支持进程间的阻塞读写 —— 当管道中没有数据时，读操作会阻塞；当管道满时，写操作会阻塞。

com.hpp

// com.hpp
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>  
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>    // 共享内存相关配置
#define pathname "/practice/lesson-test/pro_communication/sharedmem"  // ftok生成key的路径
#define proj_id 0x6666                                                // ftok的项目ID
#define size 4096                                                     // 共享内存大小（4KB，页大小整数倍）
// 命名管道相关配置
#define FIFO_FILE "./myfifo"  // 命名管道文件路径
#define MODE 0666             // 权限（所有者、组、其他用户均有读写权限）        
using namespace std;// 错误码枚举（便于定位错误类型）
enum
{FIFO_ERROR = 1,   // 创建管道失败UNLINK_ERROR,     // 删除管道失败OPEN_ERROR,       // 打开文件失败READ_ERROR,       // 读操作失败FTOK_ERROR,       // 生成key失败SHMGET_ERROR      // 获取共享内存失败
};// 初始化类：负责命名管道的创建与销毁
class Init
{
public:// 构造函数：程序启动时创建命名管道Init(){int ret = mkfifo(FIFO_FILE, MODE);if (ret == -1){perror("mkfifo");  exit(FIFO_ERROR);  }}// 析构函数：程序结束时删除命名管道~Init(){int m = unlink(FIFO_FILE);if (m == -1){perror("unlink");exit(UNLINK_ERROR);}}
};// 生成共享内存的唯一标识key
key_t getKey()
{int key = ftok(pathname, proj_id);if (key == -1){perror("ftok");exit(FTOK_ERROR);}return key;
}// 辅助函数：通过shmget获取共享内存ID（根据传入的标志位）
int getshmidHelper(int shmflg)
{key_t key = getKey();  int shmid = shmget(key, size, shmflg);if (shmid == -1){perror("shmget");exit(SHMGET_ERROR);}return shmid;
}// 创建新的共享内存（若已存在则报错）
int creatshmflg()
{return getshmidHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}// 获取已存在的共享内存（若不存在则创建）
int getshmflg()
{return getshmidHelper(IPC_CREAT);
}

processA.cpp

// processA.cpp
#include "com.hpp"int main()
{// 获取共享内存ID（若不存在则创建）int shmid = getshmflg();// 将共享内存映射到当前进程地址空间（系统自动分配地址，读写权限）char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);// 打开命名管道（只写模式），用于通知进程B有新消息int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);if (fd == -1){perror("open");exit(OPEN_ERROR);}// 向共享内存写入消息while (true){cout << "A sends a message to B:";  // 提示输入// 从标准输入读取字符串，写入共享内存fgets(shmaddr, size, stdin);// 向管道写入一个字符（如'c'），通知B已写入新消息（同步机制）write(fd, "c", 1);}// 解除共享内存映射shmdt(shmaddr);// 关闭管道文件描述符close(fd);return 0;
}

processB.cpp

// processB.cpp
#include "com.hpp"int main()
{Init init;  // 创建Init对象，构造函数中创建命名管道，析构时删除// 创建共享内存（若已存在则报错，确保是新创建的共享内存）int shmid = creatshmflg();// 将共享内存映射到当前进程地址空间（系统自动分配地址，读写权限）char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);// 打开命名管道（只读模式），用于接收进程A的消息通知int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);if (fd == -1){perror("open");exit(OPEN_ERROR);}// 循环接收并打印消息while (true){char c;  // 用于接收管道中的通知字符// 从管道读取通知（阻塞等待，直到A写入数据）int n = read(fd, &c, sizeof(c));if (n == 0)  // 管道另一端关闭（A退出）{break;}else if (n < 0)  // 读操作出错{break;}// 从共享内存读取A发送的消息并打印cout << "B received a message from A:" << shmaddr;sleep(1);  // 休眠1秒，避免频繁打印}// 解除共享内存映射shmdt(shmaddr);// 删除共享内存shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);// 关闭管道文件描述符close(fd);return 0;
}

http://www.lryc.cn/news/602910.html

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