个人主页:chian-ocean
文章专栏-Linux
System V共享内存详解:在Linux上实现内存共享的最佳实践
前言:
System V的共享内存是Unix操作系统中一种进程间通信(IPC)机制,它允许不同的进程通过共享一块物理内存区域来交换数据。共享内存提供了高效的进程间通信方式,因为进程可以直接读写共享区域,而不需要通过内核或其他进程的中介。
system V
共享内存
System V
共享内存的特点:
- 高效性:通过共享内存,不同进程可以直接访问和修改数据,而不需要经过数据复制的过程,减少了开销。
- 持久性:共享内存段在进程退出后仍然存在,直到显式地由进程删除。
- 权限控制:共享内存段可以设定访问权限,控制哪些进程可以读写共享内存。
System V
共享内存流程:
- 获取
key
值:进程通过ftok
系统调用来计算出key
值. - 创建共享内存段:进程使用
shmget
系统调用来创建或访问共享内存段。 - 映射共享内存:通过
shmat
系统调用,将共享内存段映射到进程的虚拟地址空间中。 - 使用共享内存:进程可以直接通过指针访问共享内存,就像访问普通内存一样。
- 解除映射:进程使用
shmdt
来解除对共享内存段的映射。 - 删除共享内存:当不再需要共享内存时,进程通过
shmctl
来删除共享内存段。
system V
共享内存函数:
在Unix系统中,System V共享内存的操作由一系列系统调用来管理。以下是常用的共享内存函数:
1. shmget
功能:创建一个共享内存段或获取已经存在的共享内存段。
原型:
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
key
:共享内存段的键值,用于标识共享内存。如果是新创建的共享内存段,key
是唯一的。size
:共享内存段的大小(字节数)。shmflg
:标志位,控制共享内存的访问权限。常用标志有:IPC_CREAT
:如果共享内存段不存在,则创建一个新段。IPC_EXCL
:与IPC_CREAT
一起使用,如果共享内存段已存在则调用失败。0666
:设置权限(可读可写)。
返回值:返回共享内存段的标识符(一个非负整数),如果出错,返回 -1。
2. shmat
功能:将共享内存段映射到进程的虚拟地址空间。
原型:
void* shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
shmid
:由shmget
返回的共享内存段标识符。shmaddr
:期望的映射地址,通常设置为NULL
,让操作系统自动选择地址。shmflg
:标志位,常用的标志是0
(表示默认映射),SHM_RDONLY
(只读映射)。
返回值:返回共享内存的指针(映射到进程地址空间中)。如果失败,则返回
(void*) -1
。
3. shmdt
功能:解除共享内存的映射。
原型:
int shmdt(const void *shmaddr);
shmaddr
:共享内存的指针,通常是由shmat
返回的指针。
返回值:成功返回
0
,失败返回-1
。
4. shmctl
功能:控制共享内存段的各种操作,例如获取共享内存段的状态、删除共享内存段等。
原型:
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
shmid
:共享内存段的标识符。cmd
:控制命令,常用的命令有:IPC_STAT
:获取共享内存段的状态。IPC_RMID
:删除共享内存段。SHM_INFO
:获取共享内存的统计信息。
buf
:用于存储共享内存信息的结构体,shmid_ds
结构体定义了共享内存的状态信息。
返回值:成功返回
0
,失败返回-1
。
5.ftok
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
参数:
pathname
:文件路径名(文件或目录的路径),该文件必须存在且具有一定的权限。路径名用于生成一个唯一的标识符。proj_id
:一个项目标识符,通常是一个字符值(例如 ‘A’、‘B’ 等)。这用于区分同一文件的不同用途。
返回值:
成功时返回一个
key_t
类型的唯一键值,可以用于标识 IPC 对象。失败时返回
-1
,并设置errno
为相应的错误代码。
shmid_ds
结构体
shmctl
函数返回的shmid_ds
结构体用于获取共享内存段的信息。它通常包含以下字段:
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; // 权限
size_t shm_segsz; // 共享内存段大小
time_t shm_atime; // 最近一次附加时间
time_t shm_dtime; // 最近一次分离时间
time_t shm_ctime; // 创建时间
pid_t shm_cpid; // 创建该共享内存段的进程ID
pid_t shm_lpid; // 最后操作该共享内存段的进程ID
shmatt_t shm_nattch; // 附加到共享内存的进程数
};
观察shmif_ds
结构体
#include"share.hpp" // 引入头文件,假设这是包含共享内存相关函数声明的头文件。
using namespace std; // 使用标准命名空间,简化代码书写。
int main()
{
// 获取共享内存段的标识符
int shmid = Getshmid();
// 使用shmat函数将共享内存映射到进程的地址空间
char* shaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
// 定义一个shmid_ds结构体,用于存储共享内存段的状态信息
struct shmid_ds shmds;
// 调用shmctl函数获取共享内存段的状态
int ret = shmctl(Getshmid(), IPC_STAT, &shmds);
// 输出共享内存的权限
cout << "权限: " << shmds.shm_perm.mode << endl;
// 输出共享内存的大小(字节数)
cout << "共享内存大小: " << shmds.shm_segsz << endl;
// 输出创建共享内存的进程ID
cout << "创建共享内存的进程ID: " << shmds.shm_perm.mode << endl;
// 输出共享内存的key值以及当前程序自定义的key值
cout << "共享内存的key值: " << shmds.shm_perm.__key << " 自己创建的值:" << Get_key() << endl;
// 使用shmdt解除共享内存的映射
shmdt((void*)shaddr);
return 0; // 结束程序
}
代码的工作流程:
- 获取共享内存标识符 (
shmid
):通过Getshmid()
获取共享内存的标识符。Getshmid()
应该是用户自己定义的一个函数,返回有效的共享内存段ID。 - 映射共享内存:通过
shmat
函数将共享内存段映射到当前进程的地址空间。这里使用的是nullptr
,表示操作系统会自动选择一个合适的地址来映射共享内存。 - 获取共享内存信息:调用
shmctl
函数并使用IPC_STAT
命令来获取共享内存段的状态,保存在shmid_ds
结构体中。这个结构体包含了共享内存的权限、大小、创建进程ID、key值等信息。 - 输出共享内存的信息:输出共享内存的权限、大小、创建进程ID以及
key
值。注意,在输出创建共享内存的进程ID时,代码中有个小错误,应改为shmds.shm_cpid
,而不是shmds.shm_perm.mode
,因为mode
字段是权限信息。 - 解除共享内存映射:调用
shmdt
函数解除映射,防止进程泄露资源。
总结
shmget
用于创建和访问共享内存段。shmat
用于将共享内存段映射到进程的地址空间。shmdt
用于解除共享内存的映射。shmctl
用于控制共享内存段,例如删除或查看信息。
共享内存通信实例(管道控制同步)
1. 构建管道类
class FIFO
{
public:
// 构造函数:创建命名管道(FIFO)
FIFO()
{
// 调用 mkfifo 创建命名管道,MYFIFO_PATH 是管道的路径,MODE 是文件权限
int n = mkfifo(MYFIFO_PATH, MODE);
// 检查 mkfifo 是否成功,若返回值为 -1,则表示创建失败
if (n == -1)
{
// 如果创建失败,记录错误日志并退出程序
log(fatal, "mkfifo failure: %s", strerror(errno)); // 输出错误日志,显示错误原因
exit(4); // 返回 4 表示创建管道失败
}
// 如果创建成功,记录成功日志
log(info, "mkfifo success"); // 输出成功日志
}
// 析构函数:删除命名管道
~FIFO()
{
// 调用 unlink 删除命名管道
int n = unlink(MYFIFO_PATH);
// 检查 unlink 是否成功,若返回值为 -1,则表示删除失败
if (n == -1)
{
// 如果删除失败,记录错误日志并退出程序
log(error, "unlink failure: %s", strerror(errno)); // 输出错误日志,显示错误原因
exit(4); // 返回 4 表示删除管道失败
}
// 如果删除成功,记录成功日志
log(info, "unlink success"); // 输出成功日志
}
};
FIFO
类用于创建和删除命名管道(FIFO)。
构造函数:在对象创建时,调用 mkfifo
创建命名管道。如果创建失败,记录错误并退出程序。
析构函数:在对象销毁时,调用 unlink
删除命名管道。如果删除失败,记录错误并退出程序。
2. 获取key
值
- 获取
key
值:进程通过ftok
系统调用来计算出key
值.
key_t GetKey()
{
// 调用 ftok 函数,使用 pathname 和 proj_id 生成唯一的 IPC 键值
key_t key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);
// 检查 ftok 调用是否成功,key < 0 表示失败
if (key < 0)
{
// 如果 ftok 失败,记录错误信息到日志,并返回 1
log(fatal, "ftok failure:%s", strerror(errno)); // 错误日志输出,显示 errno 对应的错误信息
return 1; // 返回 1 表示错误
}
// 如果成功,记录成功信息到日志
log(info, "GetKey success"); // 成功日志输出
// 返回生成的唯一 IPC 键值
return key;
3.创建共享内存段
- 创建共享内存段:进程使用
shmget
系统调用来创建或访问共享内存段。
int GetShare_mm(int flag)
{
// 使用获取的 IPC 键值(通过 GetKey 函数)和共享内存的大小(SIZE_MM)来调用 shmget 创建或获取共享内存
int shmid = shmget(GetKey(), SIZE_MM, flag);
// 检查 shmget 调用是否成功,如果返回值是 -1 表示创建或获取共享内存失败
if (shmid == -1)
{
// 如果 shmget 失败,记录错误信息到日志,并返回 2 作为错误标识
log(fatal, "shmget failure: %s", strerror(errno)); // 错误日志输出,显示 errno 对应的错误信息
return 2; // 返回 2 表示共享内存获取失败
}
// 如果 shmget 成功,记录成功信息到日志
log(info, "shmget success"); // 成功日志输出
// 返回获取的共享内存标识符
return shmid;
}
4.映射、使用和销毁共享内存
服务端:
int main()
{
// 创建一个命名管道 FIFO
FIFO init; // 假设 FIFO 是一个类,它的构造函数用于初始化命名管道。
// 打开命名管道,打开模式是只读
int fd = open("myfifo", O_RDONLY);
if (fd == -1)
{
// 如果打开管道失败,记录错误并退出
log(error, "open failure: %s", strerror(errno)); // 错误日志输出,显示 errno 对应的错误信息
exit(5); // 返回 5 表示出现错误并退出
}
// 创建共享内存并获取共享内存标识符
int shmid = CreateShmid(); // 假设 CreateShmid() 是创建共享内存的函数,它返回共享内存段的标识符。
// 将共享内存映射到进程的地址空间
char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
if ((void*)shmaddr == (void*)-1)
{
// 如果共享内存映射失败,记录错误并返回
log(fatal, "shmat failure: %s", strerror(errno)); // 错误日志输出
return 1; // 返回 1 表示出错
}
// 进入通信循环
while (true)
{
char ch;
- 创建管道:使用
FIFO
类创建命名管道。 - 打开管道:调用
open("myfifo", O_RDONLY)
打开管道进行读取。如果失败,记录错误并退出。 - 创建共享内存:使用
CreateShmid()
创建共享内存。、 - 映射共享内存:使用
shmat()
将共享内存映射到进程地址空间,检查映射是否成功。 - 通信循环:从管道读取字符,输出共享内存内容,直到读取结束。
- 解除映射与清理:使用
shmdt()
解除共享内存映射,调用DeleteShare()
删除共享内存,释放资源。
客户端:
#include "share.hpp"
int main()
{
// 打开命名管道 "myfifo" 进行写操作 (O_WRONLY)
int fd = open("myfifo", O_WRONLY);
if (fd == -1) // 如果打开管道失败,fd 会是 -1
{
// 记录管道打开失败的错误信息并退出程序
log(error, "open failure: %s", strerror(errno));
exit(5); // 退出程序,返回错误码 5
}
// 获取共享内存的标识符
int shmid = Getshmid();
// 将共享内存映射到进程地址空间
char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
if ((void*)shmaddr == (void*)-1) // 检查映射是否成功
{
// 如果映射失败,记录错误信息并退出程序
log(fatal, "shmat failure: %s", strerror(errno));
return 1; // 返回错误码 1
}
// 进入通信循环
while (true)
{
// 提示用户输入
std::cout << "Please Enter@ ";
// 从标准输入读取数据并存储到共享内存
fgets(shmaddr, SIZE_MM, stdin);
// 向管道写入字符 'x',表示有新的消息
int n = write(fd, "x", sizeof(char));
}
// 解除共享内存映射
shmdt((void*)shmaddr);
return 0; // 正常退出
}
- 打开管道:通过
open("myfifo", O_WRONLY)
打开管道进行写操作。如果失败,记录错误并退出。 - 获取共享内存:使用
Getshmid()
获取共享内存标识符,使用shmat()
将共享内存映射到进程地址空间。 - 通信循环:不断提示用户输入,将用户输入存储到共享内存中,并向管道写入字符
'x'
表示有新的数据。、 - 解除映射并退出:调用
shmdt()
解除共享内存映射,程序正常退出。