[用户态内存] 共享内存3---SYS V共享内存

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-01-19 07:20 3阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1.SYS V共享内存
 *  2.SYS V共享内存操作流程
 *   *  2.1 SYS V共享内存区域的创建
     *  2.2 映射SYS V共享内存映射
     *  2.3 共享内存相关操作
     *  2.4 解除SYS V共享内存映射
 *  3. SYS V 共享内存实例
 *   *  3.1 父子进程间SYS V共享内存通信
     *  3.2 非血缘关系进程间SYS V共享内存通信
 *  4.shell终端操作System V共享内存

# 1.SYS V共享内存 #

System V 的IPC对象有共享内存、消息队列、信号量。本文介绍System V共享内存。

Systm V IPC机制下的共享内存就是一段特殊的内存区域，多个进程间要实现数据共享则把共享数据写入到该共享区域（需要加锁），任何想访问该共享区域内容的进程都必须将进程的虚拟地址映射到该共享内存区域上去。

System V共享内存是通过tmpfs实现的，是一种高效的进程通信方式，进程通过它能直接对内存进行读写，并不需要进行数据拷贝。

# 2.SYS V共享内存操作流程 #

## 2.1 SYS V共享内存区域的创建 ##

linux通过shmget函数创建一块SYS V共享内存

**函数定义**

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

**参数：**

1.  key—共享内存的键（key），SYS V共享内存属于IPC对象，每个IPC对象都有唯一的名字，称为键（key）
    
    1.  可以使用ftok获取共享内存的键
        
            #include<sys/types.h>
            #include<sys/ipc.h>
            
            key_t ftok(const char * pathname, int proj_id)
            #1.功能：获取共享内存的键值
            #2.参数：
            	pathname:就是指定的文件名（该文件必须是存在而且可以访问的）
            	proj_id:和pathname一起完成创建键值的参数，虽然为int，但只有8个比特被使用，一般我们写一个字符代替
    2.  若shmget的键值如下所示，一般用于具有亲缘关系的进程间通信
        
        1.  key为IPC\_PRIVATE,则函数shmget()将创建一块新的共享内存
        2.  key为0,而参数shmflg中设置了IPC\_CREATE这个标志，则同样创建一块新的共享内存；
    3.  key值可以用户自己指定，所用相关进程都是用该键值，但必须保证该键值还未被使用。
    4.  若IPC指定为IPC\_PRIVATE,则会自动产生一个随机未使用的新键值
2.  size:共享内存的大小，以页为单位，若size不为页大小整数倍会自动补全。
3.  shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的.
    
        IPC_CREAT:如果key对应的对应的共享内存不存在则创建
        IPC_EXEC:如果key对应的共享内存已经存在则报错
        SHM_HUGTLB:使用大页分析共享内存
        SHM_NORESERVE:不在交换分区的这块共享内存保留
        mode:共享内存访问权限(8进制，如0644)
        
        例子：
        int shmid = shmdget(key,1024*1024*4,IPC_CREAT | 0666)

**返回值：**

1.  **成功**：该共享内存的ID
2.  **失败：**\-1

## 2.2 映射SYS V共享内存映射 ##

linux通过shmat函数将SYS V共享内存区域映射到进程的虚拟地址空间

**函数定义:**

#include<sys/types.h>
    #include<sys/shm.h>
    
    void * shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

**参数:**

1.  shmid:共享内存ID，函数返回值shmget函数
2.  shmaddr:映射到共享内存区域的虚拟内存空间的起始地址.
    
    1.  如果为NULL，则os会选择一个合适的虚拟内存空间去映射共享内存区域
    2.  若shmaddr不为NULL，则os会根据shmaddr来选择一个合适的虚拟内存空间去映射共享内存区域
3.  shmflg:进程访问共享内存区域的权限：
    
    1.  默认为0，表示可读可写
    2.  SHM\_RDONLY：以只读的方式映射
    3.  SHM\_REMAP:重新映射，此时shmaddr不能为NULL
    4.  SHM\_RND:自动选择不shmaddr小的最大页对齐地址

**返回值:**

1.  成功：映射共享内存区域虚拟地址空间的首地址
2.  失败：-1

**PS:**

1.  shmat的时候也没有创建真正的共享内存页,当进程第一次访问共享虚拟内存的某页时，因为所有的共享内存页还都没有分配，所以会发生一个page fault异常。当Linux处理这个page fault的时候，它找到发生异常的虚拟地址所在的vm\_area\_struct数据结构。在该数据结构中包含有这类共享虚拟内存的一组处理程序，其中的 nopage操作用来处理虚拟页对应的物理页不存在的情况。对共享内存，该操作是shm\_nopage（定义在ipc/shm.c中）。该操作在描述这个共享内存的shmid\_kernel数据结构的页表shm\_pages中查找发生page fault异常的虚拟地址所对应的页表条目，看共享页是否存在（页表条目为0，表示共享页是第一次使用）。如果不存在，它就分配一个物理页，并为它创建一个页表条目。这个条目不但进入当前进程的页表，同时也存到shmid\_kernel数据结构的页表shm\_pages中。
2.  当下一个进程试图访问这块内存并得到一个page fault的时候，经过同样的路径，也会走到函数shm\_nopage。此时，该函数查看shmid\_kernel数据结构的页表shm\_pages时，发现共享页已经存在，它只需把这里的页表项填到进程页表的相应位置即可，而不需要重新创建物理页。所以，是第一个访问共享内存页的进程使得这一页被创建，而随后访问它的其它进程仅把此页加到它们的虚拟地址空间。

## 2.3 共享内存相关操作 ##

就是在进程获得共享内存锁后对共享内存进行数据的读或写操作

用户态程序还可以通过shmctl函数来控制SYS V共享内存

#inlcude<sys/ipc.h>
    #include<sys/shm.h>
    
    int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
    
    #功能:用户程序对共享内存区域进行控制
    #参数：
    	1.shmid:共享内存id，由shmat函数返回
    	2.cmd：用户控制共享内存区域的命令
    		IPC_STAT：得到共享内存的状态，并将状态信息保存在buf中
    		IPC_SET:改变共享内存的状态,用struct shmid_ds *buf指定共享区改变后的状态
    		 IPC_RMID:删除共享内存:
    		 	a.删除共享内存区是函数第3个参数buf为NULL
    		 	b.实际上不从内核删除SYS V内存共享区，而是仅仅把进程段标记为删除（类似页引用计数-1），实际的删除发生最
    		 	  后一个进程离开这个共享区
    		    c.如果在代码中没有手动删除，共享内存并不会随着程序的终止而自动清理
    	3.buf：指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构

struct shmid_ds{ 
          struct ipc_perm shm_perm;/* 操作权限*/
          int shm_segsz;                    /*段的大小（以字节为单位）*/
          time_t shm_atime;          /*最后一个进程附加到该段的时间*/
          time_t shm_dtime;          /*最后一个进程离开该段的时间*/
          time_t shm_ctime;          /*最后一个进程修改该段的时间*/
          unsigned short shm_cpid;   /*创建该段进程的pid*/
          unsigned short shm_lpid;   /*在该段上操作的最后1个进程的pid*/
          short shm_nattch;          /*当前附加到该段的进程的个数*/
          /*下面是私有的*/
          unsigned short shm_npages;  /*段的大小（以页为单位）*/
          unsigned long *shm_pages;   /*指向frames->SHMMAX的指针数组*/
          struct vm_area_struct *attaches; /*对共享段的描述*/
    
    };

## 2.4 解除SYS V共享内存映射 ##

linux通过shmdt函数解除linux同SYS V共享内存同用户进程间的映射关系

**函数定义:**

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

\*\*参数:\*\*shmadr为shmat返回的虚拟空间首地址

**返回值:**

1.  成功返回0
2.  失败返回-1

\*\*ps：\*\*当一个进程不再需要共享内存段时，它将调用shmdt()系统调用取消这个段，但是这并不是从内核真正地删除这个段，而是把相关shmid\_ds结构的shm\_nattch域的值减1，当这个值为0时，内核才从物理上删除这个共享段。

# 3. SYS V 共享内存实例 #

## 3.1 父子进程间SYS V共享内存通信 ##

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    #include <sys/wait.h>
    
    #define mykey 1234
    #define shm_size sysconf(_SC_PAGE_SIZE);
    
    void error_out(const char *msg)
    { 
        perror(msg);　　
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    int main (int argc, char *argv[])
    { 
        #mykey可以通过ftok创建
        int smid = shmget(mykey, region_size, IPC_CREAT|0666);
    
    　　if(smid == -1)
          error_out("shmget");
        
        void *ptr;
        ptr = shmat(smid, NULL, 0);
        if (ptr == (void *) -1)
            error_out("shmat");
        
        pid_t pid = fork();
        
        if (pid == 0){ 
            u_long *d = (u_long *)ptr;
            *d = 0xdeadbeef;
            exit(0);
        }
        
        else{ 
            int status;
            waitpid(pid, &status, 0);
            printf("child wrote %#lx/n", *(u_long *)ptr);
        }
    
        sleep(30);
        int r = shmdt(ptr);
        if (r == -1)
            error_out("shmdt");
        r = shmctl(smid, IPC_RMID, NULL);
        
        if (r == -1)
            error_out("shmdt");
        return 0;
    　　}

执行完后子进程将打印父进程写入SYS V共享内存中的数据：“child wrote 0xdeadbeef”

## 3.2 非血缘关系进程间SYS V共享内存通信 ##

写进程：

#include<string.h>
    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/msg.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<unistd.h>
    #include<errno.h>
    #include<fcntl.h>
    #include<sys/stat.h>
    #include<sys/mman.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/shm.h>
    #include<string.h>
     
    #define ERR_EXIT(m) \ do { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0)
     
    typedef struct stu
    { 
        char name[32];
        int age;
    } STU;
     
    int main(int argc, char *argv[])
    { 
        int shmid;
        shmid = shmget(1234,sizeof(STU),IPC_CREAT | 0666); //用来创建共享内存
        if(shmid == -1)
        	ERR_EXIT("shmget err");
        STU *p;
        p = shmat(shmid,NULL,0);//将共享内存段连接到进程地址空间
        if(p == (void*)-1)  //error (void *) -1 is returned
        	ERR_EXIT("shmat err");
        strcpy(p->name,"list");
        p->age = 20;
        while(1)  // 等待,接收内存中有quit字符串时,代表读取完成
        { 
        	if(memcmp(p,"quit",4) == 0)// 需要注意的是,这里比较的是内存
        		break;
        }
        //sleep(10);
        shmdt(p);//将共享内存段与当前进程脱离
        shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
        return 0;
    }

读进程：

#include<string.h>
    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/msg.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<unistd.h>
    #include<errno.h>
    #include<fcntl.h>
    #include<sys/stat.h>
    #include<sys/mman.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/shm.h>
    #include<string.h>
     
    #define ERR_EXIT(m) \ do { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0)
     
    typedef struct stu
    { 
        char name[32];
        int age;
    } STU;
     
    int main(int argc, char *argv[])
    { 
        int shmid;
        shmid = shmget(1234,0,0); //用来创建共享内存
        if(shmid == -1)
        	ERR_EXIT("shmget err");
        STU *p;
        p = shmat(shmid,NULL,0);//将共享内存段连接到进程地址空间
        if(p == (void*)-1)  //error (void *) -1 is returned
        	ERR_EXIT("shmat err");
       
       	printf("name=%s age=%d\n",p->name,p->age);
        
        memcpy(p,"quit",4);  // 读取完数据后,向内存中写入4个字节的数据,代表读取完成
        shmdt(p);//将共享内存段与当前进程脱离
        return 0;
    }

# 4.shell终端操作System V共享内存 #

不同于POSIX API所创建的内存区,System V API创建的内存区在任何文件系统中都是不可见的，但我们可以用ipcs在linux shell终端管理System V 共享内存.

下面简单介绍一下shell终端如何操作与System V共享内存区域

1.  ipcs信息查看
    
        ipcs [-m|-q|-s]
        -m 输出有关共享内存(shared memory)的信息
        -q 输出有关信息队列(message queue)的信息
        -s 输出有关“遮断器”(semaphore)的信息
        
        #ipcs -m
        ------ Shared Memory Segments --------
        key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
        0xef46b249 0          root       644        68157440   0
    
    2.创建SYS V共享内存
    
        1.创建65M SYS V共享内存区域
        # ipcmk -M 68157440 
        ipcmk: create share memory failed: Invalid argument
        
        2.SYS 共享内存创建失败了，失败原因可能是65M超过了SYS V共享内存设置的最大大小，查看shmmax
        #cat /proc/sys/kernel/shmmax
        33554432
        
        3.果然超过了，resize shmmax to 65M
        # echo 68157440 > /proc/sys/kernel/shmmax
        # cat /proc/sys/kernel/shmmax 
        68157440
        
        4.再次创建SYS V共享内存区域
        # ipcmk -M 68157440 
        Shared memory id: 0
        # ipcs -m
        ------ Shared Memory Segments --------
        key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
        0xef46b249 0          root       644        68157440   0
        
        5.创建成功
        
        6.进程中可以用ipcs -m的key（0xef46b249）值使用SYS V共享内存区域

由上可以看出:

1.  System V共享内存区域不受/dev/shm影响，System V API创建的内存区在任何文件系统中都是不可见的，但我们可以用ipcs在linux shell终端管理System V 共享内存.
2.  POSIX共享内存默认创建在/dev/shm目录下，可以通过df -lh命令查看相关POSIX共享内存区域的大小等信息（具体参考文件POSIX共享内存）

**知识来源:**

[https://www.cnblogs.com/charlesblc/p/6261469.html][https_www.cnblogs.com_charlesblc_p_6261469.html]

[https_www.cnblogs.com_charlesblc_p_6261469.html]: https://www.cnblogs.com/charlesblc/p/6261469.html