Linux进程间通信之共享存储

╰+攻爆jí腚メ 2022-07-16 15:54 200阅读 0赞

## 共享存储 ##

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所谓共享存储，就是一块共享的内存区域，它可被多个进程以读或写的形式访问，以达到进程间通信的目的。  
因为这个通信方式，发送端与接收端不需要来回复制要发送接收的信息，所以**共享存储是最快的一种IPC**（进程间通信方式）。  
既然共享存储允许多个进程去访问，那么它必须满足同步与互斥原则，在发送端正在写的时候，接收端不应该去读。通常我们使用信号量或者互斥量来达到这一目的。

![这里写图片描述][SouthEast]

共享内存同消息队列，信号量相同，同属于XSI IPC。内核都为他们维护了一套数据结构。  
共享内存的数据结构：

struct shmid_ds
    {
        struct ipc_perm shm_perm;
        size_t shm_segsz;
        pid_t shm_lpid;
        pid_t shm_cpid;
        shmatt_t shm_nattch;//shmatt_t定义为无符号整型，他至少和unsigned short一样大。
        time_t shm_atime;
        time_t shm_dtime;
        time_t shm_ctime;
        ...
    }

同样，系统会给每一个共享内存资源设立一个唯一的标识符key，我们可以通过函数ftok得到这个key。数据类型为key\_t。

#include<sys/ipc.h>
    key_t ftok(const char* path,int id);

path指向一个字符串，表示路径名，我们一般设为当前路径“.”，id为项目id，一般指定为一个0~255之间的数。

## 操作函数 ##

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### 获得共享存储 ###

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

返回值：成功返回共享存储区的shmid，若失败，返回-1。  
参数key即为我们调用ftok函数得到的标识符，作为系统对此共享存储资源的唯一标识。  
参数size是要申请的共享存储区的大小，以字节为单位，这个数一般为系统页长的整数倍（4K的整数倍）。若申请的size不是页长的整数倍，系统也是按整数倍进行分配的，但是最后一页余下的部分不可用。如果创建一个新的资源，则必须指定size，且段的内容会被初始化为0。若引用一个已经存在的，则将size置为0。  
参数flag与消息队列相同，有两个选项，IPC\_CREAT和IPC\_EXCL。使用的时候有两种情况：  
1. IPC\_CREAT和IPC\_EXCL一起使用（IPC\_CREAT|IPC\_EXCL），表示申请创建一个新的IPC资源，若要申请的资源已经存在，则错误返回。若不存在，则创建。  
2. IPC\_CREAT单独使用，表示申请创建一个IPC资源，若要申请的IPC资源已经存在，则直接使用；若不存在，则创建新的。  
一般我们还会在后面加上资源的默认权限（如0666）。

### 删除共享存储 ###

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

返回值：成功返回0，失败返回-1。  
参数shmid即为我们调用shmget得到的共享存储的id。  
参数cmd指定了要执行了命令，当cmd被设置为IPC\_RMID时，该函数执行删除动作。此时，第三个参数设为NULL。  
除此之外，cmd还有IPC\_STAT，IPC\_SET等命令。

### 将进程挂接到共享存储上 ###

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#include<sys/shm.h>
    void* shmat(int shmid,const void* attr,int flag);

返回值：若成功，返回指向共享内存存储的指针，若失败，返回-1。  
shmid不再多说，attr参数决定了共享存储段连接到调用进程的那个地址。一般我们设置为NULL或0，表示此段连接到由内核选择的第一个可用地址上。这是推荐的使用方式。  
如果参数flag指定了SHM\_RDONLY，则以只读方式连接，否则以读写的方式连接。  
如果此函数成功执行的话，那么内核将使与该共享存储段相关的shmid\_ds结构中的shm\_nattch计数器值加1。

### 将进程从共享存储上卸载 ###

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

返回值：成功返回0，失败返回-1。  
参数addr是之前调用shmat的返回值。如果函数执行成功的话，shmdt将使相关shmid\_ds结构中的shm\_nattch计数器减1。  
当使用完共享存储后，调用此函数令进程与它分离，但共享存储并不会消失，其标识符仍然还在，直到有进程调用shmctl将其删除。

### 查看系统的共享存储资源 ###

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系统同样为我们提供了查看共享内存IPC资源的指令：

ipcs -m

![这里写图片描述][SouthEast 1]

删除共享内存资源：

ipcrm -m [shmid]

## 以共享存储实现客户机-服务器模式 ##

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### 头文件comm.h ###

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#ifndef __COMM__
    #define __COMM__
    
    #include<stdio.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/shm.h>
    
    #define PATHNAME "."
    #define PROJID 0X666
    #define SIZE 4096*1
    
    int commMem(int flags);
    int creatMem();
    int getMem();
    int destoryMem(int shmid);
    
    
    #endif //__COMM__

### 源文件comm.c ###

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#include"comm.h"
    
    int commMem(int flags)
    {
        key_t _k = ftok(PATHNAME,PROJID);
        if(_k < 0)
        {
            perror("ftok");
            return -1;
        }
        int shmid = shmget(_k,SIZE,flags);
        if(shmid < 0)
        {
            perror("shmget");
            return -1;
        }
        return shmid;
    }
    
    int creatMem()
    {
        return commMem(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    }
    
    int getMem()
    {
        return commMem(IPC_CREAT);
    }
    
    int destoryMem(int shmid)
    {
        int ret = shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
        if(ret < 0)
        {
            perror("destory shmctl");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

### 客户机文件client.c ###

#include"comm.h"
    
    int main()
    {
        printf("client\n");
        int shmid = getMem();
        if(shmid < 0)
        {
            printf("getMem error !");
            return -1;
        }
        printf("shmid : %d\n",shmid);
        sleep(5);
        char* addr = shmat(shmid,NULL,0);
        if(addr == NULL)
        {
            printf("NULL!!!!!!!\n");
        }
        //printf("Debug addr %s",addr);
        if(addr < 0)
        {
            perror("client shmat");
            return -1;
        }
        int i = 0;
        while(i < SIZE - 1)
        {
            addr[i] = 'L';
            addr[i+1] = '\0';
            sleep(1);
            i++;
        }
        int ret = shmdt(addr);
        printf("Debug shmdt \n");
        if(ret < 0)
        {
            perror("client shmdt");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

### 服务器文件server.c ###

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#include"comm.h"
    
    int main()
    {
        int shmid = creatMem();
        sleep(10);
        if(shmid < 0)
        {
            printf("CreatMem error !\n");
            return -1;
        }
        char *addr = shmat(shmid,NULL,0);
        if(addr < 0)
        {
            perror("shmat");
            return -1;
        }
        while(1){
            printf("#\n");
            printf("%s\n",addr);
            printf("#\n");
            sleep(1);
        }
        int ret = shmdt(addr);
    
        if(ret < 0)
        {
            perror("shmdt");
            return -1;
        }
        int retdes = destoryMem(shmid);
        if(retdes < 0)
        {
            printf("destoryMem error !\n");
            return -1;
        }
    
        return 0;
    }

[SouthEast]: /images/20220709/072d6a6767924895a446e2f57201640b.png
[SouthEast 1]: /images/20220709/665cf9608aeb48d9af2d4a41a4981ec5.png