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【Linux】进程间通信（万字详解）—— 匿名管道 | 命名管道 | System V | 共享内存

linux服务器unix 2023-08-22 06:08:34 808人浏览 独家记忆
摘要

🌈欢迎来到linux专栏~~进程通信

🌈欢迎来到linux专栏~~进程通信

  • (꒪ꇴ꒪(꒪ꇴ꒪ )🐣,我是Scort
  • 目前状态：大三非科班啃c++中
  • 🌍博客主页：张小姐的猫~江湖背景
  • 快上车🚘，握好方向盘跟我有一起打天下嘞！
  • 送给自己的一句鸡汤🤔：
  • 🔥真正的大师永远怀着一颗学徒的心
  • 作者水平很有限，如果发现错误，可在评论区指正，感谢🙏
  • 🎉🎉欢迎持续关注！
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文章目录

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一. 进程间通信介绍

进程之间会存在特定的协同工作的场景：

  • 数据传输：一个进程要把自己的数据交给另一个进程，让其继续进行处理
  • 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
  • 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
  • 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

进程间通信的本质就是，让不同的进程看到同一份资源

进程是具有独立性的。虚拟地址空间+页表 保证了进程运行的独立性（进程内核数据结构+进程代码和数据）

进程通信的前提，首先需要让不同的进程看到同一份“内存”（特定的结构组织）

  • 这块内存应该属于谁呢？为了维持进程独立性，它一定不属于进程A或B，它属于操作系统。

综上，进程间通信的前提就是：由OS参与，提供一份所有通信进程都能看到的公共资源。

进程间通信的发展

  • 管道
    • 匿名管道pipe
    • 命名管道pipe
  • System V标准 进程间通信
    • System V 消息队列
    • System V 共享内存
    • System V 信号量
  • POSIX标准 进程间通信(多线程详谈)
    • 消息队列
    • 共享内存
    • 信号量
    • 互斥量
    • 条件变量
    • 读写锁

二. 管道

什么是管道？

  • 有入口，有出口，都是单向传输资源的（数据）

在这里插入图片描述

所以计算机领域设计者，设计了一种单向通信的方式 —— 管道

🌍匿名管道

众所周知，父子进程是两个独立进程，父子通信也是进程间通信的一种，基于父子间进程通信就是匿名管道。我们首先要对匿名管道有一个宏观的认识

父进程创建子进程，子进程需要以父进程为模板创建自己的files_struct ，而不是与父进程共用；但是struct file这个结构体就不会拷贝，因为打开文件也与创建进程无关（文件的数据不用拷贝）

  • 因为左边是进程相关数据结构，右边是文件相关结构

在这里插入图片描述

😎匿名管道原理

  1. 父进程创建管道，对同一文件分别以读&写方式打开

在这里插入图片描述

  1. 父进程fork创建子进程
    在这里插入图片描述

  2. 因为管道是一个只能单向通信的信道，父子进程需要关闭对应读写端，至于谁关闭谁，取决于通信方向。
    在这里插入图片描述

于是，通过子进程继承父进程资源的特性，双方进程看到了同一份资源。

😎创建匿名管道pipe

pipe谁调用就让以读写方式打开一个文件（内存级文件）

#include int pipe(int pipefd[2]);
  • 参数pipefd：输出型参数！通过这个参数拿到两个打开的fd
  • 返回值：成功返回0；失败返回-1

数组pipefd用于返回两个指向管道读端和写端的文件描述符：

数组元素含义
pipefd[0]~嘴巴管道读端的文件描述符
pipefd[1] ~ 钢笔管道写端的文件描述符

此处提取查一下要用到的函数

  • man2是获得系统（linux内核）调用的用法； man 3 是获得标准库（标准C语言库、glibc）函数的文档
//linux中用man可以查哦#include pid_t fork(void);#include int close(int fd);#include void exit(int status);

下面按照之前讲的原理进行逐一操作：①创建管道 ②父进程创建子进程 ③关闭对应的读写端，形成单向信道

#include #include #include #include #include #include using namespace std;int main(){    //1.创建管道    int pipefd[2] = {0};    int n = pipe(pipefd);  //失败返回-1    assert(n != -1);  //只在debug下有效    (void)n; //仅此证明n被使用过#ifdef DEBUG    cout<< "pipefd[0]" << pipefd[0] << endl;  //3    cout<< "pipefd[1]" << pipefd[1] << endl;  //4#endif    //2.创建子进程     pid_t id = fork();    assert(id != -1);    if(id == 0)    {        //子进程        //3. 构建单向通信的信道        //3.1 子进程关闭写端[1]        close(pipefd[1]);        exit(0);    }    //父进程    //父进程关闭读端[0]    close(pipefd[0]);        return 0;}

在此基础上，我们就要进行通信了，实际上就是对某个文件进行写入，因为管道也是文件，下面提提前查看要用到的函数

#include ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);#include ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);返回值:- 返回写入的字节数- 零表示未写入任何内容，这里意味着对端进程关闭文件描述符#include unsigned int sleep(unsigned int seconds);

😎demo代码

简单实现了管道通信的demo版本：

#include #include #include #include #include #include #include#includeusing namespace std;int main(){    //1.创建管道    int pipefd[2] = {0};    int n = pipe(pipefd);  //失败返回-1    assert(n != -1);  //只在debug下有效    (void)n; //仅此证明n被使用过#ifdef DEBUG    cout<< "pipefd[0]" << pipefd[0] << endl;  //3    cout<< "pipefd[1]" << pipefd[1] << endl;  //4#endif    //2.创建子进程     pid_t id = fork();    assert(id != -1);    if(id == 0)    {        //子进程  - 读        //3. 构建单向通信的信道        //3.1 子进程关闭写端[1]        close(pipefd[1]);        char buffer[1024];        while(1)        {            size_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);            if(s > 0)            {                buffer[s] = 0;//因为read是系统调用，没有/0，此处给加上                cout<<"child get a message["<< getpid() << "] 爸爸对你说" << buffer << endl;            }        }        //close(pipefd[0]);        exit(0);    }    //父进程 - 写    //父进程关闭读端[0]    close(pipefd[0]);    string message = "我是父进程，我正在给你发消息";    int count = 0; //计算发送次数    char send_buffer[1024];    while(true)    {        //3.2构建一个变化的字符串        snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d",message.c_str(), getpid(), count);        count++;        //3.3写入        write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));//此处strlen不能+1        //3.4 故意sleep        sleep(1);    }    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);    assert(ret != -1);    (void)ret;        return 0;}

此处有个问题：为什么不定义一个全局的buffer来进行通信呢？

  • 因为有写时拷贝的存在，无法更改通信！

上面的方法就是把数据交给管道，让对方通过管道进行读取

😎匿名管道通信的4种情况

之前父子进程同时向显示器中写入的时候，二者会互斥 —— 缺乏访问控制

而对于管道进行读取的时候，父进程如果写的慢，子进程就会等待读取 —— 这就是说明管道具有访问控制

✨读阻塞：写快，读慢

父进程疯狂的进行写入，子进程隔10秒才读取，子进程会把这10秒内父进程写入的所有数据都一次性的打印出来！

代码如非就是在父进程添加了打印conut，子进程sleep(10)，可以自行的在demo代码上添加

在这里插入图片描述

父进程写了1220次，子进程一次就给你读完了，读写之间没有关系，这就叫做流式的服务。
也就是管道是面向字节流的，也就是只有字节的概念，究竟读成什么样也无法保证，甚至可能读出乱码，所以父子进程通信也是需要制定协议的，但这个我们网络再细说。。

✨写阻塞：写慢，读快

管道没有数据的时候，读端必须等待：父进程每隔2秒才进行写入，子进程疯狂的读取

请添加图片描述

✨写端关闭

父进程写入10秒，后把写端fd关闭，读端会怎么样?

  • 写入的一方，fd没有关闭，如果有数据就读，没有数据就等
  • 写入的一方，fd关闭了，读取的一方，read会返回0，表示读到了文件结尾，退出读端
#include #include #include #include #include #include #include#includeusing namespace std;int main(){    //1.创建管道    int pipefd[2] = {0};    int n = pipe(pipefd);  //失败返回-1    assert(n != -1);  //只在debug下有效    (void)n; //仅此证明n被使用过#ifdef DEBUG    cout<< "pipefd[0]" << pipefd[0] << endl;  //3    cout<< "pipefd[1]" << pipefd[1] << endl;  //4#endif    //2.创建子进程     pid_t id = fork();    assert(id != -1);    if(id == 0)    {        //子进程  - 读        //3. 构建单向通信的信道        //3.1 子进程关闭写端[1]        close(pipefd[1]);        char buffer[1024*8];        while(1)        {            //sleep(10);//20秒读一次            //写入的一方，fd没有关闭，如果有数据就读，没有数据就等            //写入的一方，fd关闭了，读取的一方，read会返回0，表示读到了文件结尾            size_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);            if(s > 0)            {                buffer[s] = 0;//因为read是系统调用，没有/0，此处给加上                cout<<"child get a message["<< getpid() << "] 爸爸对你说" << buffer << endl;            }            else if (s == 0)            {                cout << "write quit(father), me quit!!!" <        //3.2构建一个变化的字符串        snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d",message.c_str(), getpid(), count);        count++;        //3.3写入        write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));//此处strlen不能+1        //3.4 故意sleep        sleep(1);        cout<< count <            cout<< "父进程写端退出" << endl;            break;        }    }    close(pipefd[1]);//关闭读端    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);    assert(ret != -1);    (void)ret;    return 0;}

运行结果如下：

请添加图片描述

✨读端关闭

读端关闭，写端继续写入，直到OS终止写进程

#include #include #include #include #include #include int main(){int fd[2] = { 0 };if (pipe(fd) < 0){ //使用pipe创建匿名管道perror("pipe");return 1;}pid_t id = fork(); //使用fork创建子进程if (id == 0){//childclose(fd[0]); //子进程关闭读端//子进程向管道写入数据const char* msg = "hello father, I am child...";int count = 10;while (count--){write(fd[1], msg, strlen(msg));sleep(1);}close(fd[1]); //子进程写入完毕，关闭文件exit(0);}//fatherclose(fd[1]); //父进程关闭写端close(fd[0]); //父进程直接关闭读端（导致子进程被操作系统杀掉）int status = 0;waitpid(id, &status, 0);printf("child get signal:%d\n", status & 0x7F); //打印子进程收到的信号return 0;}

运行结果显示，子进程退出时收到的是13号信号

在这里插入图片描述
通过kill -l命令可以查看13对应的具体信号

在这里插入图片描述
由此可知，当发生情况四时，操作系统向子进程发送的是SIGPIPE信号将子进程终止的。

🐋总结上述的4中场景：

  • 写快，读慢，写满了不能再写了
  • 写慢，读快，管道没有数据的时候，读端必须等待
  • 写关，读取的一方，read会返回0，表示读到了文件结尾，退出读端
  • 读关，写继续写，OS终止写进程 ——

🧐由上总结出匿名管道的5个特点 ——

  1. 管道是一个单向通信的通信管道，是半双工通信的一种特殊情况
  2. 管道是用来进行具有血缘关系的进程进行进程间通信 —— 常用于父子通信
  3. 管道具有通过让进程间协同，提供了访问控制！
  4. 管道是 面向字节流 —— 协议（后面详谈）
  5. 管道是基于文件的，管道的声明周期是随进程的

😎管道的大小

管道的容量是有限的，如果管道已满，那么写端将阻塞或失败，那么管道的最大容量是多少呢？

ps：原子性：要么做了，要么不做，没有中间状态

方法1 ：man手册查询

在这里插入图片描述
然后我们可以使用uname -r命令，查看自己使用的Linux版本

在这里插入图片描述
我使用的是Linux 2.6.11之后的版本，因此管道的最大容量是65536字节

方法二：自行测试

也就是如果读端一直不读取，写端又不断的写入，当管道被写满后，写端进程就会被挂起。据此，我们可以写出以下代码来测试管道的最大容量。

#include #include #include #include int main(){int fd[2] = { 0 };if (pipe(fd) < 0){ //使用pipe创建匿名管道perror("pipe");return 1;}pid_t id = fork(); //使用fork创建子进程if (id == 0){//child close(fd[0]); //子进程关闭读端char c = 'a';int count = 0;//子进程一直进行写入，一次写入一个字节while (1){write(fd[1], &c, 1);count++;printf("%d\n", count); //打印当前写入的字节数}close(fd[1]);exit(0);}//fatherclose(fd[1]); //父进程关闭写端//父进程不进行读取waitpid(id, NULL, 0);close(fd[0]);return 0;}

写端进程最多写65536字节的数据就被操作系统挂起了，也就是说，我当前Linux版本中管道的最大容量是65536字节

在这里插入图片描述

🌍命名管道

为了解决匿名管道只能在父子之间通信，我们引入命名管道，可以在任意不相关进程进行通信

多个进程打开同一个文件，OS只会创建一个struct_file

在这里插入图片描述

命名管道就是一种特殊类型的文件(可以被打开，但不会将数据刷新进磁盘)，两个进程通过命名管道的文件名打开同一个管道文件，此时这两个进程也就看到了同一份资源，进而就可以进行通信了。

命名管道就是通过唯一路径/文件名的方式定位唯一磁盘文件的

ps：命名管道和匿名管道一样，都是内存文件，只不过命名管道在磁盘有一个简单的映像（所以有名字），但这个映像的大小永远为0，因为命名管道和匿名管道都不会将通信数据刷新到磁盘当中。

🎨创建命名管道

💛 make FIFOs 在命令行上创建命名管道

mkfifo (named pipes)

FIFO：First In First Out 队列呀

在这里插入图片描述

来个小实验：
命令行上执行的命令echo和cat都是进程，所以这就是通过管道文件进行的进程间通信 ——

在这里插入图片描述
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💛 那么如何用代码实现命名管道进程间通信的呢？

//查手册：man 3 mkfifo#include #include int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
  • pathname：管道文件路径
  • mode：管道文件权限
  • 返回值：创建成功返回0；创建失败返回-1，并设置错误码

我touch了server.c和client.c，最终希望在server和client两个进程之间相互通信，先写一个Makefile ——

.PHONY:allall:client serverclient:client.cxxg++ -o $@ $^ -std=c++11server:server.cxxg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:cleanclean:rm -f client server
  • Makefile自顶向下扫描，只会把第一个目标文件作为最终的目标文件。所以要一次性生成两个可执行程序，需要定义伪目标.PHONY: all，并添加依赖关系

🎨基于命名管道通信

comm.h

我们创建一个共用的头文件，这只是为了两个程序能有看到同一个资源的能力了

#ifndef _COMM_H_ //能避免头文件的重定义#define _COMM_H_//hpp和.h的区别:.h里面只有声明，没有实现，而.hpp里声明实现都有，后者可以减少.cpp的数量#include #include #include #include #include #include #include #include using namespace std;#define MODE 0666#define SIZE 128string ipcPath = "./fifo.ipc";#endif

server.c

  1. 创建命名管道
  2. 读信息，并实现相应业务逻辑
#include "comm.hpp"int main(){    //1.创建管道文件    if(mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0)    {        perror("mkfifo");        exit(1);    }    //2. 正常的文件操作    int fd = open(ipcPath.c_str(), O_RDONLY);    if(fd < 0)    {        perror("open");        exit(2);    }    //3.编写正常的通信代码    char buffer[SIZE];    while(1)    {        memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));        ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1);        if(s > 0)        {            cout << "client say >" << buffer << endl;        }        else if(s == 0)        {            //说明写端关闭了            cerr << "read end of file, client quit, server quit too" <            //读取失败            perror("read");            break;        }    }    //4. 关闭文件    close(fd);    unlink(ipcPath.c_str());//通信完毕，删除文件    return 0;}

client.c
此时不需要再创建命名管道，只需要获取已打开的命名管道文件

  • 从键盘拿到了待发送数据
  • 发送数据，也就是向管道中写入
#include "comm.hpp"int main(){    //不需要创建fifo，只需获取即可    int fd = open(ipcPath.c_str(), O_WRONLY);    if(fd < 0)    {        perror("open");        exit(1);    }    //2.ipc通信    string buffer;    while(1)    {        cout << "Place Enter Message:";        std::getline(std::cin, buffer);        write(fd, buffer.c_str(), sizeof(buffer));    }        //3.关闭    close(fd);    return 0;}

效果展示：
一定要先运行服务端server创建命名管道，再运行客户端，实现了不相关进程通信 ——

请添加图片描述
如果我想让多个子进程来执行打印任务
在这里插入图片描述
当然我们就要调整一下server.c的业务逻辑：

#include "comm.hpp"#include static void getMessage(int fd){    //3.编写正常的通信代码    char buffer[SIZE];    while(1)    {        memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));        ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1);        if(s > 0)        {            cout << "[" << getpid() << "] " << "client say >" << buffer << endl;        }        else if(s == 0)        {            //说明写端关闭了            cerr << "[" << getpid() << "] " << "read end of file, client quit, server quit too" <            //读取失败            perror("read");            break;        }    }}int main(){    //1.创建管道文件    if(mkfifo(ipcPath.c_str(), MODE) < 0)    {        perror("mkfifo");        exit(1);    }    //log("创建管道文件成功", Debug) << "step 1" <        perror("open");        exit(2);    }    //log("打开管道文件成功", Debug) << "step 2" <        pid_t id = fork();        if(id==0)        {            //子进程            getMessage(fd);            exit(2);        }    }    for(int i = 0; i < nums; i++)    {        waitpid(-1, nullptr, 0);    }    //4. 关闭文件    close(fd);    //log("关闭管道文件成功", Debug) << "step 3" <

🌍 pipe vs fifo

为什么pipe叫做匿名管道和和fifo叫做命名管道？

  • 匿名管道文件属于内存级的文件，不需要名字，因为它是通过父子继承的方式看到同一份资源
  • 命名管道一定要有名字，从而使不相关进程通过唯一路径定位同一个文件

三. System V标准下的进程间通信方式

下面我们要学习System V标准，是在同一主机内的进程间通信方案，是站在OS层面，专门为进程间通信设计的方案。

进程通信的本质是先让不同进程看到同一份资源，System V提供了这三个主流方案 ——

  • 共享内存 - 传递数据
  • 消息队列(有点落伍) - 传递数据
  • 信号量 (多线程讲POSIX标准) - 实现进程同步&控制详谈

🌈共享内存

基于共享内存进行进程间通信原理 ——

  1. 首先在物理内存当中申请一块内存空间，将这块内存空间分别与各个进程各自的页表之间建立映射
  2. 进程虚拟地址空间当中开辟空间（共享内存）并将虚拟地址填充到各自页表的对应位置，使得虚拟地址和物理地址之间建立起对应关系
  3. 所以两个进程便看到了同一份物理内存，这块物理内存就叫做共享内存

在这里插入图片描述

💦共享内存的建立

共享内存提供者是操作系统OS，那么操作系统要不要管理共享内存呢？ -> 先描述再组织

共享内存 = 共享内存块 + 对应的共享内存的内核数据结构（来描述其属性）

💛 创建共享内存
#include #include int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数：

  • key:为了使不同进程看到同一段共享内存，即让不同进程拿到同一个ID，需要由用户自己设定，但如何设定的与众不同好难啊，就要借助下面这个函数。
    在这里插入图片描述所以怎么样保证两个进程拿到同一个key值呢？

    #include #include key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
    • pathname：自定义路径名
    • proj_id：自定义项目ID
    • 返回值：成功后，返回生成的key_t值。失败时返回1

  • szie：共享内存的大小，建议是4KB的整数倍，因为共享内存在内核中申请的基本单位是页(内存页)。

  • shmflg：标记位，这一看就是宏，都是只有一个比特位是1且相互不重复的数据，这样|在一起，就能传递多个标志位

    • IPC_CREAT：如果单独使用IPC_CREAT或者flg为0，如果创建共享内存时，底层已经存在，获取之；如果不存在，就创建之
    • IPC_EXCL：单独使用没有意义，通常要搭配起来IPC_CREAT | IPC_EXCL，如果底层不存在，就创建，并返回；如果底层存在就出错返回。这样的意义在于 如果调用成功，得到的一定是一个全新的共享内存。

返回值：成功后，将返回有效的共享内存标识符。失败了，返回-1，并设置errno错误码。

💛 控制共享内存

手动查看与手动删除

ipcs -m 查看ipc资源，不带选项默认查看消息队列(-q)、共享内存(-m)、信号量(-s)ipcrm -m + shmid //删除共享内存

system V IPC资源，生命周期随内核！所以我们要手动 / 自动删除，那怎么样自动删除呢？

💛 控制共享内存

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

参数：

  • cmd：设置IPC_RMID就行，IPC_RMID：即便是有进程和当下的shm挂接，依旧删除共享内存（强大）
  • buf：这就是描述共享内存的数据结构啊！
    在这里插入图片描述
    返回值：失败返回-1，成功返回0
💛 挂接和去关联

attach 挂接 ——

#include #include void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  • shmaddr：挂接到什么位置，我们也不知道，给NULL，让操作系统来设置
  • shmflg： 给0

最重要的是返回值：

  • 这个地址一定是虚拟地址，类似malloc返回申请到的起始地址
  • 失败返回-1，并设置错误码

detach 去关联 ——

int shmdt(const void *shmaddr);
  • shmaddr：shmat返回的地址

注意：去关联，不是释放共性内存，而是取消当前进程和共享内存的关系，本质是去掉进程和物理内存构建映射关系的页表项去掉

返回值：成功返回0，失败返回-1

💛 shmid 和 key

只有创建的时候用key，大部分用户访问共享内存，都用的是shmid（用户层）

💦共享内存的进程间通信

comm.h

#pragma one#include #include #include #include #include #include "log.hpp"using namespace std;//不推荐#define PATH_NAME "/home/ljj"#define PROJ_ID 0x66

server.c

  1. 创建公共的key值

  2. 创建共享内存 - 建议创建一个全新的共享内存：因为是通信的发起者
    带选项IPC_CREAT | IPC_EXCL若和系统中已经存在的ID冲突，则出错返回；
    注意到其中权限perm是0，那也可以设置一下

    int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

    在这里插入图片描述

  3. 将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间上

  4. 将指定的共享内存，从自己的地址空间去关联

  5. 删除共享内存

#include "comm.hpp"string TransToHex(key_t k){    char buffer[32];    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", k);    return buffer;}int main(){    //1.创建公共的key值    key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);    assert(k != -1);    Log("create key done", Debug) << "server key : " << TransToHex(k) << endl;        //2. 创建共享内存  - 建议创建一个全新的共享内存：因为是通信的发起者    int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);    if(shmid == -1)    {        perror("shmget");        exit(1);    }    Log("creat shm done", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;    sleep(10);    //3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间上    char *shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);    Log("attach shm done", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;    sleep(10);         //这里就是通信的代码    //4.将指定的共享内存，从自己的地址空间去关联    int n = shmdt(shmaddr);    assert(n != -1);    (void)n;    Log("detach shm done", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;    sleep(10);     //5.删除共享内存    n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);    assert(n != -1);    (void)n;    Log("delete shm done", Debug) << "shmid : " << shmid << endl;    return 0;}

关于申请共享内存的大小size，我们说建议是4KB的整数倍，因为共享内存在内核中申请的基本单位是页(内存页)，4KB。如果我申请4097Byte大小的空间，内核会向上取整给我4096* 2Byte，诶？那我监视到的↑怎么还是4097啊！虽然在底层申请到的是4096*2，但不会多给你，这样也可能引起错误~

client.c

  • 只需获取共享内存；不用删除
#include "comm.hpp"int main(){    key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);    if(k < 0)    {        Log("create key failed", Error) << "client key : " << k << endl;        exit(1);    }    Log("create key done", Debug) << "client key : " << k << endl;        //获取共享内存    int shmid = shmget(k, SHM_SIZE, IPC_CREAT);    if(shmid < 0)    {        Log("create shm failed", Error) << "client key : " << k << endl;        exit(2);    }    Log("attach shm success", Error) << "client key : " << k << endl;    sleep(10);    //挂接地址    char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);    if(shmaddr == nullptr)    {        Log("attach shm failed", Error) << "client key : " << k << endl;        exit(3);    }    Log("attach shm success", Error) << "client key : " << k << endl;    sleep(10);    //使用    //去关联    int n = shmdt(shmaddr);    assert(n != -1);    Log("datach shm success", Error) << "client key : " << k << endl;    sleep(10);    //你只管用，不需要删除共享内存        return 0;}

效果展示：
写一个命令行脚本来监视共享内存 ——

while :; do ipcs -m; echo "_________________________________________________________________"; sleep 1; done

注意观察nattch这个参数的变化：0->1->2->1->0

请添加图片描述

上面的框架都搭建好了之后，接下来就是通信部分：
1️⃣客户端不断向共享内存写入数据：

//client将共享内存看成一个char类型的bufferchar a = 'a';for(; a <= 'z'; a++){    //每一次都想共享内存shmaddr的起始地址    snprintf(shmaddr, SHM_SIZE - 1,\        "hello server, 我是其他进程, 我的pid: %d, inc: %c\n",\        getpid(), a);    sleep(2);}

2️⃣服务端不断读取共享内存当中的数据并输出：

//将共享内存当成一个大字符串for(;;){    printf("%s\n", shmaddr);    sleep(1);}

结果如下：
在这里插入图片描述

ps：我们发现即使我们没有向server端发消息，server也是不断的在读取信息的

💦共享内存与管道进行对比

共享内存是所有进程间通信方式中最快的一种通信方式。

在这里插入图片描述
将一个文件从一个进程传输到另一个进程需要进行四次拷贝操作：

我们再来看看共享内存通信：

在这里插入图片描述
键盘写入shm，另一端可以直接获取到，哪里还需要什么拷贝？最多两次拷贝（键盘输入一次，输出到外设一次）

💦共享内存归属谁

共享内存的区域是在OS内核？还是在用户空间？

  • 用户空间！

其中文本、初始化数据区、未初始化数据区、堆、栈、环境变量、命令行参数、再 往上就是1G的OS内核，其中剩余3G都是用户自己支配的

用户空间：不用经过系统调用，直接进行访问！

在这里插入图片描述

  • 所以双方进程如果要进行通信，直接进行内存级的读和写（减少了许多拷贝）

那为什么之前将的pipe和fifo都要通过read、write进行通信，为什么呢？

因为管道双方看到的资源都属于内核级的文件，我们无权直接进行访问，必须调用系统接口

💦共享内存的特征

  • 共享内存的生命周期随内核
  • 共享内存是所有进程中速度最快的，只需要经过页表映射，不需来回拷贝（不经过OS）
  • 共享内存没有提供访问控制，读写双方根本不知道对方的存在，会带来并发问题

🌈消息队列（了解）

严重过时：接口与文件不对应

创建消息队列，与创建共享内存极其相似：

#include #include #include int msgget(key_t key, int msgflg);

删除消息队列：

#include #include #include int msGCtl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

我们可以通过key找到同一个共享内存。

我们发现共享内存、消息队列、信号量的 ——

  • 接口都类似
  • 数据结构的第一个结构类型struct ipc_perm是完全一致的！

我们由shmid申请到的都是01234… 大胆推测，在内核中，所有的ipc资源都是通过数组组织起来的。可是描述它们的结构体类型并不相同啊？但是~ System V标准的IPC资源，xxxid_ds结构体的第一个成员都是ipc_perm都是一样的。

🌈信号量

简单认识一下信号量

多个执行流，互相运行的时候互相干扰，我们不加保护的访问了同样的资源（临界资源），在非临界区多个执行流互相是不影响的

信号量本质是一个计数器，类似int count，用来衡量临界资源中的资源数目（好比电影院里面的座位，我们需要买票进入）

在这里插入图片描述

  1. 什么是临界资源？

    我们把多个进程（执行流）看到的公共资源 叫做临界资源

  2. 什么是临界区？

    我们把自己的进程，访问临界资源的代码 —— 临界区

  3. 什么是原子性？

    一件事儿，要么不做，要么就做完，没有中间态。

  4. 什么是互斥？

    在任意一个时刻，只能允许一个执行流进入临界区

在这里插入图片描述

n--：可能因为时序问题，而导致n有中间状态，导致数据不一致

  • 这种操作是不安全的，如果一个n--操作只有一行汇编，该操作是原子的！！

做总结： 信号量计数器

  • 申请信号量 -> 计数器 — -> P操作 -> 必须是原子的！
  • 释放信号量 -> 计数器 — -> P操作 -> 必须是原子的!！

📢写在最后

应该是我写过最长的一篇博客了
请添加图片描述

来源地址：https://blog.csdn.net/qq_42996461/article/details/129117725

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--结束END--

本文标题: 【Linux】进程间通信（万字详解）—— 匿名管道 | 命名管道 | System V | 共享内存

本文链接: https://www.lsjlt.com/news/377590.html(转载时请注明来源链接)

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