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linux进程间通信：system V 共享内存

文章目录

        • 思维导图如下
        • 通信原理
        • 优势
        • 运行流程
        • 编程接口
        • 编程实例

思维导图如下

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通信原理

  • 多个进程共享物理内存的同一块区域（通常称之为“段”:segment）
  • 抛弃了内核态消息转存处理的过程，让两个进程直接通过一块内存进行通信

我们普通的像PIPE,FIFO,消息队列等的通信方式如下图：

在这里插入图片描述

这种方式的通信不论读写，都需要内核态（系统调用 read,write,pipe,mkfifo,msgget,msgsnd,msgrcv等）的介入，而且都需要经过数据从虚拟地址空间到物理地址空间的拷贝。

而共享内存的通信方式则都避免了以上的通信问题，直接为两个进程开辟相同的内存空间进行数据交互。

在这里插入图片描述

优势

  • 减少了内存的拷贝（从用户拷贝到内核，从内核拷贝到用户）
  • 减少了2次系统调用（系统调用比较消耗性能，因为CPU处理系统调用时需要从用户态切换到内核态），提高了系统性能

运行流程

  • 获取共享内存对象的ID
  • 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域（每个用户进程操作系统都有3G的虚拟进程空间）
  • 不同进程对这块内存进行读写、传输数据
  • 当进程不再使用这块共享内存时，解除映射关系
  • 当没有进程需要共享内存的时候，则删除该共享内存

编程接口

  • 获取共享内存的对象ID ,创建或打开一个共享内存对象

    a. 头文件

    b. int shmget (key_t key, size_t size, int shmflg);

    c. 函数参数

    • key IPC对象的键值，一般为IPC_PRIVATE 或者ftok返回的key值
    • size 共享内存的大小，一般为物理内存页(4K)的整数倍
    • shmflg：

      IPC_CREAT :如果不存在指定的key值，那么就创建一个

      IPC_EXCL: 若key值指定的内存存在，且指定了IPC_CEAT,则回复EXIST错误

      IPC_HUGETLB 使用巨页(huge page)

    d. 返回值：共享内存的标识ID

  • 映射共享内存：

    a. 头文件

    b. void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);

    c. 功能：将shmid标识的共享内存引入到当前进程的虚拟地址空间

    d. 函数参数：

    • shmid 共享内存的IPC对象ID
    • shmaddr

      若为NULL：共享内存会被attach到一个合适的虚拟地址空间，建议使用NULL

      不为NULL：系统会根据参数以及地址边界对齐等分配一个合适的地址
    • shmflg

      IPC_RDONLY:附加只读权限，不指定的话返回默认是读写权限

      IPC_REMAP:替换位于shmaddr处的任意既有映射（共享内存的段或者内存映射）

      SHM_RND:将shmaddr四舍五入为SHMMLBA字节的倍数

    e. 返回值：共享内存段的地址

  • 解除共享内存映射

    a. 头文件

    b. int shmdt(const void * shmaddr);

    c. 功能：解除内粗映射，将共享内存分离出当前进程的地址空间

    d. 函数参数:

    • shmaddr 共享内存地址

    e. TIPS:

    • 通过fork创建的子进程会继承父进程所附加的共享内存，父子进程可以通过共享内存进行IPC通信，在exec系统调用中，所有附加的共享内存段都会被分离
    • 函数shmdt仅仅是使进程和共享内存脱离关系，将共享内存的引用计数是减1
    • 当共享内存的引用计数为0的时候，调用shmctl的IPC_RMID命令才会删除共享内存

  • 设置共享内存属性

    a. 头文件

    b. int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);

    c. 函数功能：获取/设置共享内存对象属性

    d. 函数参数

    - shmid 共享内存对象的ID

    - cmd:

    IPC_RMID :删除共享内存及关联的shmid_ds数据结构

    IPC_STAT: 将该共享内存关联的shmid_ds数据结构拷贝到参数buf中

    IPC_SET: 使用buf中的数据更新与该共享内存对象相关联的shmid_ds

    IPC_INFO:获取系统共享内存相关的信息

    IPC_LOCK: 将一个共享内存段锁进内存，防止被swap出去

    IPC_UNLOCK: 将一个共享内存解锁

  • shmid_ds *buf数据结构如下

    struct shmid_ds { struct ipc_perm  shm_perm;     /* operation permissions */int              shm_segsz;    /* size of segment in bytes */pid_t            shm_lpid;     /* pid of last shm op */pid_t            shm_cpid;     /* pid of creator */short            shm_nattch;   /* # of current attaches */time_t           shm_atime;    /* last shmat() time*/time_t           shm_dtime;    /* last shmdt() time */time_t           shm_ctime;    /* last change by shmctl() */void            *shm_internal; /* sysv stupidity */};

编程实例

写端shm_write.c:

#include
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include int main()
{ //key_t key = ftok("./",111);key_t key = 12345;//根据key值生成共享内存对象的唯一标识int shm_id = shmget(key,4096,IPC_CREAT|0666);//将当前进程加入共享内存，这里设置共享内存地址为NULL时//系统会自动为当前进程分配一个合适的内存空间，并返回共享内存的地址char *shm_p = shmat(shm_id , NULL, 0);memset (shm_p,0,4096);//从标准输入获取内容到共享内存的地址fgets(shm_p,4096,stdin);//等待输入完成，删除共享内存sleep(10);//当前进程创建的共享内存引用计数为0的时候，删除共享内存shmctl(shm_id,IPC_RMID,NULL);return 0;
}

读端shm_read.c

#include
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include int main() { 
//    key_t key = ftok("./",111);key_t key = 12345;int shm_id = shmget(key, 4096, 0666);//和写端访问到了相同的共享内存区域，并获取内容存放到指针变量char *shm_p = shmat(shm_id , NULL, 0);printf("From SHM: %s
",shm_p);//删除当前进程与共享内存的映射关系，同时共享内存的引用计数减一shmdt(shm_p);return 0;
}

通过命令ipcs -m可以查看系统共享内存

在这里插入图片描述

需要先执行写入，再去运行读端读出；以上输出如下：

在这里插入图片描述

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