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Liunx系统 : 进程间通信【IPC-Shm共享内存】

news 来源：原创 2025/8/23 0:25:46

文章目录

  • System V
    • 共享内存
      • 创建共享内存
        • shmget
      • 控制共享内存
        • shmctl
    • shm特性

System V

System V是Liunx中的重要的进程间通信机制，它包括（shm）共享内存，（msg）消息队列和（sem）信号量。本篇博客主要介绍其中最常用的一种方式–共享内存。

共享内存

顾名思义，共享内存是一块进程之间可以共享的内存区域，由于进程之间都是相互独立的，那么这块区域自然而然不是又某个进程开辟的，而应该是由操作系统亲自开辟。

在这里插入图片描述
如上图，共享内存会被进程的页表直接映射到自己的进程地址空间共享区，从而通过地址空间与页表直接访问到物理内存（可能有多层），进而对内存操作，这就是多个进程共享一块内存的基本原理。

创建共享内存

shmget

shmget 函数是 shm 中用于创建或获取共享内存段的函数。需要头文件<sys/ipc.h>和<sys/shm.h>函数原型如下：

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

返回值：

shmget返回一个整型，这个整型叫做shmid，用于标识唯一的shm。

1.key : 标识要创建或获取的共享内存段，是System V方式的唯一标识。

注意和shmid区分，shmid是用来标识唯一的共享内存(shm)。

2.size : 指定要创建的共享内存段的大小，单位为字节

注意共享内存以4kb为基本单位开辟内存，因此开辟内存的时候，这个参数最好设置为4096的倍数，哪怕你只是申请了一个字节的内存，实际上还是会开辟4kb大小的空间的。

3 . shmflg : 用于指定共享内存段访问的权限和其他选项。

这是一个用于控制共享内存的开辟方式，以及各个属性的选项，本质上是一个位图。

  • IPC_CREAST ： 如果指定的key不存在，则创建一个新的共享内存段，如果已经存在，则直接获取原先的共享内存。
  • IPC_EXCL：如果指定的key已经存在，则创建失败。

要注意IPC_EXCL只能配合IPC_CREAT一起使用，不能单独使用。

  • 还可以按照权限值的8进制位或到第三个参数之中。
int main()
{int shmid = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);return 0;
}

在这里插入图片描述

如果只想看共享内存的方式，则ipcs -m:
在这里插入图片描述

一开始存在一个shmid = 0的共享内存，之后通过指令的方式删除掉了这个共享方式，除了这种方式，我们还可以通过系统接口来删除共享内存，也就是下面要介绍的shmctl接口。

控制共享内存

shmctl

shmctl 用于控制共享内存的各种属性。

  1. 获取共享内存段的状态信息
  2. 修改共享内存段的属性
  3. 删除共享内存段

shmctl包含在头文件<sys/ipc.h>和<sys/shm.h>中，函数原型如下：

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • 函数返回值

shmctl 函数的返回值用于指示操作是否成功：

  • 成功时：返回 0，表示操作已完成且未发生错误。
  • 失败时：返回 -1，并设置 errno 变量以指示具体的错误原因。常见的错误包括权限不足、无效的共享内存标识符等。

shmctl 函数有三个主要参数，它们共同决定了函数的行为：

  1. shmid：这是要操作的共享内存段的标识符。通过 shmget 函数可以获取该标识符，它是后续所有操作的基础，确保函数作用于正确的共享内存段。

  2. cmd：指定要执行的操作类型，它可以是以下值之一：

    • IPC_STAT：用于获取共享内存段的状态信息。此操作会将共享内存段的相关属性填充到由 buf 指向的 shmid_ds 结构体中，供程序查询和分析。
    • IPC_SET：用于设置共享内存段的某些属性。通过 buf 参数传递新的属性值，但需注意只有超级用户或拥有适当权限的进程才能执行此操作。
    • IPC_RMID：用于删除共享内存段。执行此操作后，共享内存段将被标记为可销毁，系统会在合适的时候将其从内核中移除。

  3. buf：这是一个指向 shmid_ds 结构体的指针。当 cmd 参数为 IPC_STAT 时，该结构体用于接收共享内存段的当前属性；当 cmd 参数为 IPC_SET 时，该结构体则包含需要设置的新属性值。

  • 相关结构体 shmid_ds

在使用 shmctl 函数时，shmid_ds 结构体是至关重要的，它包含了共享内存段的详细信息：

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    /* 所有者和权限 */size_t          shm_segsz;   /* 段的大小（字节） */time_t          shm_atime;   /* 最后附加时间 */time_t          shm_dtime;   /* 最后分离时间 */time_t          shm_ctime;   /* 最后更改时间 */pid_t           shm_cpid;    /* 创建者的 PID */pid_t           shm_lpid;    /* 最后调用 shmat/shmdt 的 PID */shmatt_t        shm_nattch;  /* 当前附加次数 */...
};
  • shm_perm：该字段是一个 ipc_perm 结构体，包含了共享内存段的所有者、组、权限等信息，用于控制进程对共享内存段的访问权限。
  • shm_segsz：表示共享内存段的大小，以字节为单位。在创建共享内存段时设置，后续操作中可通过 IPC_STAT 获取该值，或在有适当权限时通过 IPC_SET 修改。
  • 时间相关字段（shm_atime、shm_dtime、shm_ctime）：分别记录了共享内存段最后被附加、分离以及更改的时间，这些信息对于监控共享内存段的使用情况非常有用。
  • 进程 ID 相关字段（shm_cpid、shm_lpid）：shm_cpid 是创建共享内存段的进程的 PID，而 shm_lpid 是最后调用 shmat 或 shmdt 函数的进程的 PID，有助于追踪共享内存段的使用历史。
  • shm_nattch：表示当前共享内存段被附加的次数。当进程调用 shmat 附加共享内存段时，该值会增加；当进程调用 shmdt 分离共享内存段时，该值会减少。当该值为 0 时，表示没有进程正在使用该共享内存段。

当shmctl第二个参数cmd为IPC_STAT，此时就可以获取一个共享内存的基本信息。

示例 :

int main()
{int id = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);struct shmid_ds shm;shmctl(id, IPC_STAT, &shm);cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;cout << "ctime:" << shm.shm_ctime << endl;cout << "cpid:" << shm.shm_cpid << endl;return 0;
}

在这里插入图片描述

第二个参数为IPC_SET时候可以设置共享内存的某些属性。

int main()
{int id = shmget(1, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);struct shmid_ds shm;shmctl(id, IPC_STAT, &shm);cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;//	140731859906331shm.shm_atime = 1 ;//修改shm信息shmctl(id, IPC_SET, &shm);//重新获取shm信息shmctl(id, IPC_STAT, &shm);cout << "atime:" << shm.shm_atime << endl;// 1return 0;
}

删除共享内存（通过接口的方式）


int main()
{shmctl(0, IPC_RMID, nullptr);return 0;
}

在这里插入图片描述

一开始存在一个shmid = 0 的共享内存，经过test之后，这个共享内存就被删除了。

上面我们详细讨论了如何来开辟一个共享内存，还没有真正使用这段共享内存来进行通信。

接下来，假设现在有A，B两个进程，他们通过共享内存的方式进行通信，其中A负责发送消息，B负责接收消息。

A进程的代码数据如下：

int main()
{key_t key = ftok("./test.cpp", 1);int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);char* ptr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);for(int ch = 'A'; ch <= 'Z'; ch++){ptr[ch - 'A'] = ch;sleep(1);}shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);return 0;
}

B进程的代码数据如下：

int main()
{key_t key = ftok("./test.cpp", 1);int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT);char* ptr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);while(true){cout << ptr << endl;sleep(5);}return 0;
}

在这里插入图片描述

可以看到A向共享内存中写入数据，就被B进程读到了！

shm特性

共享内存有以下一些主要特性：

  1. 内存共享：多个进程可以同时访问和修改同一块共享内存区域。这种共享内存机制可以让进程之间高效地交换数据,而无需通过系统调用或者其他进程间通信机制。

  2. 快速访问：相比于其他进程间通信机制，如管道、消息队列等，共享内存的访问速度更快，因为数据直接存储在内存中，不需要进行数据的拷贝和上下文切换。

  3. 灵活性：共享内存可以在进程之间自由分配和管理，大小和位置都可以灵活设置。这种灵活性使得共享内存非常适合用于复杂的进程间通信场景。

  4. 同步问题：多个进程可以并发访问和修改共享内存，因此需要使用信号量、互斥锁等同步机制来协调对共享内存的访问，避免数据竞争和不一致性问题。

  5. 内存分配：共享内存是由内核管理的，进程无法直接分配和释放共享内存，必须通过系统调用如 shmget() 和 shmctl() 来完成。

system V 的后两种通信方式 消息队列 msg 和 信号量 sem 都非常不常用了，不深入研究。

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编程日记 2025/8/16 12:24:46

AntV_G6实现UI树

UI 树的实现 背景 目前需要实现一个 UI 树&#xff0c;用于展示设备树&#xff0c;以及设备树中设备的属性。与树状列表不同&#xff0c;UI 树需要有特定的交互方式&#xff0c;支持边以及当前节点的点击事件。 实现效果【复制到.html文件夹就看见了】 总体效果 点击节点效果…...

编程日记 2025/8/22 21:25:54

【0016】Python数据类型-不可变集合详解

如果你觉得我的文章写的不错&#xff0c;请关注我哟&#xff0c;请点赞、评论&#xff0c;收藏此文章&#xff0c;谢谢&#xff01; 本文内容体系结构如下&#xff1a; 在Python中&#xff0c;除了我们常见的可变集合&#xff08;Set&#xff09;外&#xff0c;还有一种不可…...

编程日记 2025/8/17 18:15:56

学习资料电子版 免费下载的网盘网站（非常全！）

我分享一个私人收藏的电子书免费下载的网盘网站&#xff08;学习资料为主&#xff09;&#xff1a; link3.cc/sbook123 所有资料都保存在网盘了&#xff0c;直接转存即可&#xff0c;非常的便利&#xff01; 包括了少儿&#xff0c;小学&#xff0c;初中&#xff0c;中职&am…...

编程日记 2025/8/20 20:57:41

ROS2学习笔记2

前言 本篇文章属于ROS2humble的学习笔记&#xff0c;来源于B站鱼香ROSup主。下面是这位up主的视频链接。本文为个人学习笔记&#xff0c;只能做参考&#xff0c;细节方面建议观看视频&#xff0c;肯定受益匪浅。 《ROS 2机器人开发从入门到实践》课程介绍_哔哩哔哩_bilibili …...

编程日记 2025/8/16 11:22:53

为什么大模型网站使用 SSE 而不是 WebSocket？

在大模型网站&#xff08;如 ChatGPT、Claude、Gemini 等&#xff09;中&#xff0c;前端通常使用 EventSource&#xff08;Server-Sent Events, SSE&#xff09; 来与后端对接&#xff0c;而不是 WebSocket。这是因为 SSE 更适合类似流式文本生成的场景。下面我们详细对比 SSE…...

编程日记 2025/8/20 8:43:28

利用阿里云Atlas地区选择器与Plotly.js实现数据可视化与交互

在数据科学与可视化领域&#xff0c;交互式图表和地图应用越来越成为数据分析和展示的重要手段。本文将介绍如何结合阿里云Atlas地区选择器与Plotly.js&#xff0c;创建动态交互式的数据可视化应用。 一、阿里云Atlas地区选择器简介 阿里云Atlas是阿里云的一款数据可视化产品…...

编程日记 2025/8/21 16:16:45

尚硅谷TS快速入门笔记（个人笔记用）

TypeScript 快速上手 &#x1faa9; 禹神&#xff1a;三小时快速上手TypeScript&#xff0c;TS速通教程_哔哩哔哩_bilibili ⼀、TypeScript 简介 TypeScript 由微软开发,是基于 JavaScript 的⼀个扩展语⾔。 TypeScript 包含了 JavaScript 的所有内容,即: TypeScript 是 Jav…...

编程日记 2025/8/21 2:53:27

python: DDD+ORM using oracle 21c

sql script: create table GEOVINDU.School --創建表 ( SchoolId char(5) NOT NULL, -- SchoolName nvarchar2(500) NOT NULL, SchoolTelNo varchar(8) NULL, PRIMARY KEY (SchoolId) --#主鍵 );create table GEOVINDU.Teacher ( TeacherId char(5) NOT NULL , TeacherFirstNa…...

编程日记 2025/8/19 6:49:50

KidneyTalk-open系统，RAG在医疗场景的真实落地：用于解决肾脏疾病的医疗问答问题

如何在保护隐私的前提下，本地部署大型语言模型（LLMs），以支持肾脏疾病的医学决策支持。难点包括：云端LLMs的数据泄露风险、本地部署的复杂性、通用LLMs在医学知识整合方面的不足、检索增强系统在医学文档处理和临床可用性方面的挣扎。Med-PaLM 2和MedFound在医学问答和临床…...

编程日记 2025/8/22 16:31:50