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System V共享内存详解：在Linux上实现内存共享的最佳实践

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前言：
`system V`共享内存
共享内存通信实例（管道控制同步）
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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。

在这里插入图片描述

`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：
1. 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。
2. 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。

在这里插入图片描述

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。

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`system V`共享内存

`System V`共享内存的特点：

`System V`共享内存流程：

`system V`共享内存函数：

1. `shmget`

2. `shmat`

3. `shmdt`

4. `shmctl`

5.`ftok`

`shmid_ds`结构体

观察`shmif_ds`结构体

代码的工作流程：

总结

共享内存通信实例（管道控制同步）

1. 构建管道类

2. 获取`key`值

3.创建共享内存段

4.映射、使用和销毁共享内存

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1. shmget

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3. shmdt

4. shmctl

5.ftok

shmid_ds结构体

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2. `shmat`

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4. `shmctl`

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2. 获取`key`值