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共享内存和信号量

news 来源：原创 2025/7/16 15:09:05

一、共享内存原理

1、基础前提

共享内存是为了进程之间通信服务的。进程间的通信的核心是要让两个不同的进程看到同一份资源。之前的匿名管道通过父子进程继承的关系，让父子进程看到同一份资源，进而进行通信；命名管道则是通过唯一的路径让两个不相关的进程看到同一份文件，进而通过该文件进行通信。

2、共享内存过程

共享内存的本质就是在内存中申请一块空间，让两个进程都能看到，这里的细节很多，因为进程是有自己的虚拟地址空间的，进程中的代码要看到物理内存中的数据，必须通过虚拟地址+页表的映射；也就是说，系统在创建共享内存时，要将共享内存的地址放入对应的进程的页表，该进程也要在虚拟地址上开辟与之对应的空间。

系统开辟共享内存的详细步骤为：

①申请物理内存

②将申请的物理内存地址填充到页表中，然后把在进程内相对应的共享区的地址空间的起始地址返回给上层（供用户使用）

共享内存可以在写代码时设置其大小；在OS中可能会同时存在很多个共享内存，那么就可以用结构体struct shm去组织管理这些共享内存。

共享内存的生命周期是随内核的（system V下的通信方式，消息队列、信号量等，生命周期都是随内核的）

3、创建与删除共享内存的系统接口

（1）int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg)

①size：共享内存的大小
②shmflg

该标志位有俩个选项，IPC_CREAT和IPC_EXCL，其中：

单独使用IPC_CREAT表示创建共享内存，如果共享内存存在则返回该共享内存的shm_id;使用IPC_CREAT | IPC_EXCL表示创建共享内存，如果该共享内存存在则出错返回；在实际应用中，使用前者来获取共享内存，使用后者来创建共享内存。

③key

key是用户创建的共享内存的唯一标识，可以通过ftok()函数获取，是用户给操作系统使用的对共享内存的唯一标识

④return value

返回shm_id，也是共享内存的唯一标识，是系统传给用户供用户使用的标识，在删除时就要根据shm_id删除。

（2）int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)

只是删除的话，直接将buf设置为空指针，cmd设置为IPC_RMID就可以了。

二、共享内存代码

shm.hpp:

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<iostream>
#include<string>
#include<cerrno>
#include<cstdio>#define Creater 1
#define User 2
#define BASE_SIZE 4096 //共享内存大小
#define DEFAULT_PROJ 0x66const std::string path_default_1= "/home/zwh/study_lesson/shm";class Myshm
{std::string ToHex(int key){char* buffer;sprintf(buffer,"%x",key);return buffer;}void Attach(){_attach_addr=shmat(_shmid,nullptr,0);if(_attach_addr==nullptr){perror("shmat");}}void Detach(){int deret=shmdt(_attach_addr);if(deret==-1){perror("shmdt");}}public:Myshm(const std::string& path,int proj_id,int who):_file_path(path),_proj_id(proj_id),_who(who){if(_who==Creater){int key=Get_Key();CreateShm(key);std::cout<<"key:"<<ToHex(key)<<" shmid:"<<_shmid<<std::endl;}else if(_who==User){int key=Get_Key();GetShm(key);std::cout<<"key:"<<ToHex(key)<<" shmid:"<<_shmid<<std::endl;}Attach();}~Myshm(){if(_who==Creater){int del_ret=shmctl(_shmid,IPC_RMID,nullptr);if(del_ret==-1){perror("delete shm");}std::cout<<"delete success!"<<std::endl;}Detach();}int Get_Key(){int key=ftok(_file_path.c_str(),_proj_id);if(key==-1){perror("get key");}return key;}void CreateShm(int key){if(_who==Creater){_shmid=shmget(key,BASE_SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);if(_shmid==-1){perror("shmget");}}}void GetShm(int key){if(_who==User){_shmid=shmget(key,BASE_SIZE,IPC_CREAT|0666);if(_shmid==-1){perror("shmget");}}}void * Addr(){return _attach_addr;}private:int _shmid;std::string _file_path;int _proj_id;int _who;void* _attach_addr;};

server.cpp:

#include "shm.hpp"
#include<unistd.h>
#include"namedpipe.hpp"using namespace std;//读端int main()
{Myshm shm1(path_default_1,DEFAULT_PROJ,Creater);char* attach_addr=(char *)shm1.Addr();NamedPipe readnamedpipe(File_Path,Creater);readnamedpipe.OpenForRead();while(1){string outmessage;readnamedpipe.ReadFifo(&outmessage);cout<<"receive message:"<<attach_addr<<endl;sleep(1);}return 0;
}

client.cpp:

#include "shm.hpp"
#include<unistd.h>
#include"namedpipe.hpp"
using namespace std;int main()
{Myshm shm1(path_default_1,DEFAULT_PROJ,User);char* attach_addr=(char *)shm1.Addr();char word='A';int i=0;NamedPipe writenamedpipe(File_Path,User);writenamedpipe.OpenForWrite();while(1){//写attach_addr[i]=word;i++;word++;string my_message="wake up";writenamedpipe.WriteFifo(my_message);sleep(2);}return 0;
}

运行结果：（右边的命令行操作代码为 while :; do ipcs -m;sleep 1;done）

makefile:

.PHONY: all
all:server clientserver : server.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11client : client.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY: clean
clean: rm -f server client

注意点：

1、共享内存不提供任何保护机制，不想管道一样，会有阻塞机制；这样容易导致数据不一致问题，我们的一种解决方法是在代码中利用管道强行使得共享内存达到同步，实现代码如上；

2、我们在访问共享内存时，没用使用任何系统调用（创建共享内存、挂接，得到共享内存区域的起始地址void *后，强转为我们需要写的数据类型的指针，直接像内存中写入数据）。没使用系统调用，使得共享内存的通信方式是所有通信方式中最快的，因为大大减少了数据的拷贝次数。

3、我们在设置共享内存的大小时，最好是4096的整数倍，因为系统是默认申请4096的整数倍给用户的。言下之意就是，我们如果设置共享内存的大小为4097字节，系统也会申请4096 *2的大小的内存空间，而剩下的4095就会浪费。

三、获取共享内存属性

shmctl不仅仅可以用来释放共享内存，还可以用来获取共享内存的属性

而ipc_perm结构体的内部属性如下：

所以要获取共享内存的属性，我们在shm.hpp中添加一个函数，如下代码：

 void Get_attribute(){struct shmid_ds ds;int n=shmctl(_shmid,IPC_STAT,&ds);std::cout<<"key:"<<ToHex(ds.shm_perm.__key) <<std::endl;std::cout<<"nattch:"<<ds.shm_nattch<<std::endl;}

运行结果：

四、信号量

1、前提概念

①多个执行流（进程），能看到的一份资源，称其为公共资源（共享资源）；

②将被保护起来的资源称为临界资源；我们保护资源的措施分为同步和互斥；

③同步：进程之间的通信有一定的顺序；互斥：任何时刻都只能有一个进程在访问共享资源。

④资源一定要被访问，资源被访问的方式是通过代码（朴素的理解）。代码分为访问共享资源的代码（称为临界区）和非访问共享资源的代码（称为非临界区）

⑤对共享资源的保护，使其成为临界资源，本质是对访问共享资源的代码进行保护。（对临界区的加锁和解锁）

2、信号量理论

信号量的作用是用来保护临界资源，本质就是对临界区代码的保护。

信号量本质是一个计数器。

对于一份共享资源，申请信号量的本质是在这个公共资源中预定一份自己的位置；公共资源被分为n份，n也是信号量的初始值；程序员要做的是让执行流和每一份资源一一对应；每当有一个执行流要申请资源时，信号量就-1。

上面是共享资源被分为好多份的情况，叫做多元信号量如果不分，一个共享资源只能对应一个执行流，那么这称为二元信号量，二元信号量就是互斥。

信号量可以在进程中定义成一个全局变量吗？不可以。理由：①全局变量不能被所有进程看到；②该全局变量的++ --不是原子的（在汇编中的语句不止一条）

那么进程就要和共享内存、消息队列一样，必须让不同的进程看到同一个信号量。

信号量需要和其他公共资源（例如共享内存）一起使用，也就是说访问公共资源之前，要先申请信号量；访问公共资源之后，释放信号量。这意味着信号量也是一个公共资源。

信号量是用来保护临界资源安全的，这意味着信号量本身要是安全的，信号量的++ 和-- 都要是安全的，信号量的操作被称为PV操作，是原子性的；只有未申请和申请结束两个状态。

3、指令

信号量的指令只要把在共享内存中的-m换成-s就可以了（消息队列是-q）

五、对共享内存、消息队列、信号量的统一管理

共享内存、消息队列、信号量的获取和控制都是xxxget、xxxctrl这些，并且都有一个结构体xxx_ds以及ipc_perm

ips_ids是一个全局数据结构，其中有一个结构体是struct ipc_id_ary，struct ipc_id_ary中有一个柔性数组（可变数组，大小由size决定）

柔性数组内部全是指针，指向下面这个结构体：

描述共享内存、消息队列、信号量的结构体的第一个字段都是kern_ipc_perm

kern_ipc_perm中指向的就是共享内存、消息队列、信号量中第一个字段的地址，对kern_ipc_perm进行管理就可以实现对三者的统一管理。而我们xxxget函数返回的id就是kern_ipc_perm数组的下标；共享内存、消息队列、信号量之间也相互冲突，同一个key无法生成两个共享内存、消息队列、信号量；将每一个下标中的数据强转成我们已知的对应的共享内存、消息队列、信号量中的一种。

这种技术叫多态。

ipc_perm里有一个字段（mode）标识了具体的共享内存、消息队列、信号量中的哪种类型。

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编程日记 2025/7/14 4:09:39

matlab Delaunay三角剖分提取平面点云的边界

目录 一、算法原理1、算法概述2、参考文献二、代码实现三、结果展示四、详细过程版一、算法原理 1、算法概述 Delaunay三角网在生成三角网过程中，以最近的三点形成三角形，且各三角形的边皆不相交，每条边都使用所在的三角形的顶点验算并记录相应的2个顶点坐标。整个验算过程…...

编程日记 2025/7/16 9:25:23

Spring07——AOP通知以及几个相关案例

切入点表达式 注意&#xff0c;不是参数&#xff0c;是参数类型 可以使用通配符描述切入点&#xff0c;快速描述 ■ *&#xff1a;单个独立的任意符号&#xff0c;可以独立出现&#xff0c;也可以作为前缀或者后缀的通配符出现 execution(public∗com.itheima.∗.UserServi…...

编程日记 2025/7/14 7:14:12

【AI工具】强大的AI编辑器Cursor详细使用教程

目录 一、下载安装与注册 二、内置模型与配置 三、常用快捷键 四、项目开发与问答 五、注意事项与技巧 参考资料 近日&#xff0c;由四名麻省理工学院&#xff08;MIT&#xff09;本科生共同创立的Anysphere公司宣布&#xff0c;其开发的AI代码编辑器Cursor在成立短短两年…...

编程日记 2025/7/14 18:01:38

CV工程师专用键盘开源项目硬件分析

1、前言 作为一个电子发烧友&#xff0c;你是否有遇到过这样的问题呢。当我们去查看函数定义的时候&#xff0c;需要敲击鼠标右键之后选择go to definition。更高级一些&#xff0c;我们使用键盘的快捷键来查看定义&#xff0c;这时候可以想象一下&#xff0c;你左手按下ALT&a…...

编程日记 2025/7/11 17:25:06

STM32标准固件库官网下载方法

Keil标准固件库官网下载方法 Keil中DFP.pack下载方法 打开keil官网 Keil 官网 www.keil.com 点击产品 点击“Products” 点击 “Arm Cortex-M” 下拉找到CMSIS-Packs 点击CMSIS-Pack index 搜索对应的MCU&#xff0c;我这里是STM32F4 注意搜索对应系列就好 点击下载...

编程日记 2025/7/13 16:49:04

数据库原理实验实验四 统计查询和组合查询

实验目的和要求加深对统计查询的理解，熟练使用聚簇函数。 实验环境SQL SERVER 2008 SQL Server Management Studio 20 实验内容与过程题目一： 学生（学号，年龄，性别，系名） 课程（课号，课名，学分，学时） 选课（学号，课号，成绩） 根据上面基本表的信息完成下列查…...

编程日记 2025/6/28 18:56:28

【电子通识】案例：USB Type-C USB 3.0线缆做直通连接器TX/RX反向

【电子通识】案例：连接器接线顺序评估为什么新人总是评估不到位？-CSDN博客这个文章的后续。最近在做一个工装项目，需要用到USB Type-C线缆做连接。 此前已经做好了线序规划，结果新人做成实物后发现有的USB Type-C线缆可用，有的不行。其中发现USB3.0的TX-RX信号与自己的板卡…...

编程日记 2025/7/15 1:37:49