一、前言

我們之前提到過，進(jìn)程通信是讓兩個不同的進(jìn)程看到同一份資源，所以我們給大家講解了匿名管道和命名管道。

今天我們還有一種方式兩個不同的進(jìn)程看到同一份資源。

那就是共享內(nèi)存！

二、共享內(nèi)存原理

我們先來看這張圖，我們在物理內(nèi)存創(chuàng)建一個共享區(qū)，我們再讓兩個不同的進(jìn)程通過頁表分別映射到對應(yīng)的共享區(qū)里，然后返回虛擬地址的起始地址。

這就是共享內(nèi)存，我們總結(jié)分為三步

• 申請內(nèi)存。
• 將該內(nèi)存掛接到進(jìn)程地址空間的共享區(qū)。
•  返回虛擬地址首地址。

以上我們就創(chuàng)建好共享內(nèi)存了，那我們該如何釋放共享內(nèi)存呢？

去關(guān)聯(lián)，我們通過系統(tǒng)調(diào)用釋放共享內(nèi)存，這個系統(tǒng)調(diào)用由操作系統(tǒng)提供，并且進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用是由操作系統(tǒng)操作。

我們可能會有很多個共享內(nèi)存，那操作系統(tǒng)要不要管理所有的共享內(nèi)存呢？

• 當(dāng)然要，還是六個字——“先描述，后組織”。
• 由內(nèi)核結(jié)構(gòu)體描述共享內(nèi)存。

接下來我們通過寫一些代碼了解該原理，在寫代碼之前我們要先了解一些接口。

三、代碼

1、系統(tǒng)調(diào)用接口

man shmget  
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

我們先把這個key放一放最后再講

這個size_t size是創(chuàng)建共享內(nèi)存的大小，單位是字節(jié)。 

shmflg我們知道，我們這個共享內(nèi)存創(chuàng)建出來了以后，就不需要再次創(chuàng)建了，只需要獲取即可

所以就注定了我們需要如何創(chuàng)建，如何獲取。如果需要關(guān)注的選項就是下面兩個。

• IPC_CREAT（單獨使用）的意思是創(chuàng)建一個共享內(nèi)存，如果這個共享內(nèi)存存在，直接獲取，如果不存在就創(chuàng)建并返回他
• IPC_CREAT | IPC_EXCL（兩個一起使用）：如果申請的共享額你存不存在，就創(chuàng)建，如果存在就出錯返回。它可以確保如果我們申請成功了，這個共享內(nèi)存一定是一個新的
• IPC_EXCL不單獨使用

對于它的返回值

如果成功，他會返回一個共享內(nèi)存的標(biāo)識，如果失敗，返回-1 （問題二）

這里我想問一下大家？我們怎么判斷兩個進(jìn)程是不是看到同一份資源呢？

這就跟key值有關(guān)了。

只要兩個進(jìn)程拿到同一個key，就能看到同一份共享內(nèi)存。

因為它在內(nèi)核中具有唯一性，能夠讓不同的進(jìn)程進(jìn)行唯一性標(biāo)識。

第一個進(jìn)程可以通過key創(chuàng)建共享內(nèi)存，第二個進(jìn)程只需要通過拿著同一個key就可以和第一個進(jìn)程看到同一個共享內(nèi)存！

那么問題來了，為什么這個key具有唯一性呢？

這里先給大家介紹另一個接口

man ftok
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

其實這是一套算法，把pathname和proj_id進(jìn)行數(shù)值運算，最后得到這個key值，返回這個key。

pathname和proj_id是由用戶自由指定的，最后形成這個key。

因為同一個函數(shù)中，使用同一個參數(shù)可以產(chǎn)生同一個key。我們這就可以確保兩個進(jìn)程具有一樣的key了，這就是為什么key具有唯一性。

那為什么key不由操作系統(tǒng)創(chuàng)建呢？而是由用戶

因為操作系統(tǒng)并不知道是哪兩個進(jìn)程進(jìn)行通信，哪幾個進(jìn)程通信由用戶決定！

創(chuàng)建好的共享內(nèi)存中，key在哪呢？

 key在共享內(nèi)存的描述對象中。

這個接下來在寫代碼的時候給大家具體描述

2、創(chuàng)建共享內(nèi)存

我們先創(chuàng)建一個共享內(nèi)存

comm.hpp(這里我們直接用了上節(jié)課講的日志系統(tǒng)）

#include "log.hpp"
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#include <cstring>

const string pathname ="/home/cyp";
const int proj_id = 0x6667;
const int size = 4096;
Log log;

key_t Getkey()
{
   key_t key = ftok(pathname.c_str(),proj_id);
   if(key < 0)
   {
    log.logmessage(Fatal,"ftok error:%s",strerror(errno));
    exit(1);
   }
   log.logmessage(Info,"key creat success:%d",key);
   return key;
}
int GetShareMeHeler(int flag)
{
   key_t key=Getkey();
   int shmid = shmget(key,size,flag);
   if(shmid==-1)
   {
      log.logmessage(Fatal,"shmget error:%s",strerror(errno));
      exit(2);
   }
   log.logmessage(Info,"creat success:%d",shmid);
   return shmid;

}

processa.cc

#include "comm.hpp"

int main()
{
    int shmid = GetShareMeHeler(IPC_CREAT|IPC_EXCL);
    log.logmessage(Info,"process quit..");
    return 0;
}

結(jié)果如下

這里我們用ipcs -m能查看共享內(nèi)存資源，我們能看到共享內(nèi)存被創(chuàng)建出來了。

key VS shmid

•  key是操作系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)定的唯一性。
• shmid只有在進(jìn)程內(nèi)表示資源的唯一性。

從上述運行結(jié)果看，進(jìn)程退出了，我們用該命令還能查看到我們在該進(jìn)程創(chuàng)建的共享內(nèi)存。

結(jié)論 ：共享內(nèi)存的生命周期是隨內(nèi)核的，用戶不主動關(guān)閉共享內(nèi)存，共享內(nèi)存會一直存在。

如果我們想刪掉共享內(nèi)存的話，我們可以用這個指令

iprm -m 刪除共享內(nèi)存資源，后面接著共享內(nèi)存的標(biāo)識符

查看共享內(nèi)存，有幾個我們不認(rèn)識，perms是權(quán)限，它其實也是一個文件，我們可以為他設(shè)置對應(yīng)的權(quán)限。nattch是關(guān)聯(lián)的意思，意思是當(dāng)前有幾個進(jìn)程與這塊共享內(nèi)存是關(guān)聯(lián)的

那么我們該怎么設(shè)置權(quán)限呢？

接下來我們創(chuàng)建共享內(nèi)存接口，一個是創(chuàng)建，一個是獲取。

3、將進(jìn)程掛接到共享內(nèi)存

這里我們給大家介紹一個接口

man shmdt
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

• 第一個參數(shù)好說，我們知道就是我們剛剛的共享內(nèi)存的shmid
• 第二個參數(shù)shmaddr，代表的含義是我們想將共享內(nèi)存掛接到哪個位置。即共享區(qū)的哪個位置，我們一般可以設(shè)置為nullptr，讓系統(tǒng)去決定掛到哪里去了
• 第三個參數(shù)就是該共享內(nèi)存的權(quán)限，比如只讀等等，當(dāng)然我們也可以設(shè)置為0，就是按照默認(rèn)的來
• 這個返回值void*比較像我們以前的malloc，malloc得到是一塊虛擬地址，只有當(dāng)讀寫的時候才發(fā)生缺頁中斷，才申請內(nèi)存

我們寫一份代碼將進(jìn)程掛接到該共享內(nèi)存上。

結(jié)果如下：

4、去關(guān)聯(lián)

這里給大家再介紹一個接口

man shmdt 
int shmdt(const void *shmaddr);

這里的shmaddr是我們在掛接的時候返回強轉(zhuǎn)的變量。

 這個接口是比較類似于之前free接口的

那么我們這個是怎么知道我們要釋放多少呢？

所以這里一定隱藏著我們沒有看到的數(shù)據(jù)。malloc也是一樣的

malloc其實會比我們要申請的內(nèi)存多一點點的。用于存儲一些我們看不到的數(shù)據(jù)。所以malloc其實更適合用于申請大空間，因為這樣影響比較小。

我們一般把這些多申請的空間叫做cookie。

這個接口的返回值是成功為0，失敗為-1

5、釋放共享內(nèi)存

如果我們每次運行這個進(jìn)程的時候，總會報錯，這個共享內(nèi)存已經(jīng)存在，那么我們有沒有什么辦法能讓這個共享內(nèi)存隨著我們的進(jìn)程一起釋放掉呢？

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

• 第一個參數(shù)我們還是比較清楚的就是共享內(nèi)存的id
• 第二個參數(shù)是我們控制這個共享內(nèi)存的方法

我們目前只關(guān)心這個，它的作用是將共享內(nèi)存標(biāo)記為被刪除的。而我們刪除的時候是不關(guān)心它的屬性的，所以屬性直接設(shè)置為nullptr

對于返回值，成功為0，失敗為-1

• 第三個參數(shù)就是這樣一個結(jié)構(gòu)體

這些就是一些屬性。這個結(jié)構(gòu)體里面的屬性是我們內(nèi)核當(dāng)中管理共享內(nèi)存的一個子集。也就是可以獲取共享內(nèi)存里面的屬性

6、兩個進(jìn)程通過共享內(nèi)存通信

• processa進(jìn)程接收信息

• processb進(jìn)程發(fā)送消息

 shmaddr指定共享內(nèi)存連接到進(jìn)程地址空間中的哪個位置。如果設(shè)置為NULL，系統(tǒng)會自動選擇一個合適的（隨機(jī)的）地址。

我們之前強轉(zhuǎn)了shmaddr返回了它的地址，我們就能通過它的地址進(jìn)行通信。

結(jié)果如下：

• 它不像管道，沒有數(shù)據(jù)寫入，讀端就會堵塞。
• 共享內(nèi)存不管寫不寫入，我會一直讀。

當(dāng)寫端進(jìn)程執(zhí)行。 

這里我們存在一個問題，當(dāng)我們又寫入又讀，不會發(fā)生錯亂錯誤嗎？

會，所以我們要用管道去維護(hù)它。

• 在我們的頭文件里增加一個類

• 在processa里增加管道代碼

• processb增加向管道寫入代碼

運行結(jié)果如下：

• 寫入端還沒寫，讀取端阻塞

• 通信成功

四、共享內(nèi)存特點

• 共享內(nèi)存沒有同步互斥的保護(hù)機(jī)制
• 共享內(nèi)存是隨意進(jìn)程通信中，速度最快的，因為拷貝少
• 共享內(nèi)存內(nèi)部數(shù)據(jù)，由用戶自己維護(hù) 

五、共享內(nèi)存的屬性

如下所示，是我們前面所提及的共享內(nèi)存的一些屬性

在第一個結(jié)構(gòu)體中，最重要的字段是第一個shm_perm，這個還是一個結(jié)構(gòu)體，也就是下面的這個。其他的字段后面都有解釋

在這個第二個結(jié)構(gòu)體中，第一個就是key。所以我們應(yīng)用層中生成的key，最后一定會被寫入到內(nèi)核中。里面的這個mode就是共享內(nèi)存的權(quán)限問題

我們可以直接去看看這些屬性

先看看shmctrl接口的控制方法

我們創(chuàng)建了共享內(nèi)存屬性的結(jié)構(gòu)體 

運行結(jié)果如下：

總結(jié)

以上為個人經(jīng)驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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