共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是一種進程間通信（IPC）機制，它允許多個進程訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域。這種方法可以提高效率，因為數(shù)據(jù)不需要在進程之間復制，而是可以直接在共享的內(nèi)存空間中讀寫。

?使用共享內(nèi)存的步驟通常包括：

1. 創(chuàng)建共享內(nèi)存：一個進程shmget()創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域。
2. 映射共享內(nèi)存：其他進程將該共享內(nèi)存映射到自己的地址空間中的共享區(qū)中。
3. 讀寫數(shù)據(jù)：進程可以在共享內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)，進行通信。
4. 解除映射和刪除：使用完后，進程解除映射并清理共享內(nèi)存。

shmget()創(chuàng)建共享內(nèi)存 獲取標識符

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

#include <sys/shm.h>

參數(shù)

• key: 一個唯一的標識符，用于區(qū)分不同的共享內(nèi)存段?？梢允褂?ftok?函數(shù)生成。
• size: 請求的共享內(nèi)存段的大小（以字節(jié)為單位）。
• shmflg: 位圖 控制標志，用于指定權(quán)限和其他選項。常見的選項包括：
  • IPC_CREAT: 如果共享內(nèi)存段不存在則創(chuàng)建它。如果存在就獲取它
  • IPC_EXCL|?IPC_CREAT?:一起使用，表示如果共享內(nèi)存段不存在就創(chuàng)建它，反之，存在則返回錯誤。（返回成功一定是創(chuàng)建新的共享內(nèi)存）
  • 權(quán)限標志，例如?0666?表示可讀可寫。

返回值

• 成功時，返回共享內(nèi)存標識符（非負整數(shù)）。(相當于FILE*)
• 失敗時，返回?-1，并設(shè)置?errno?以指示錯誤類型。

key作為標識符但不能由系統(tǒng)創(chuàng)建分配給進程，而是由用戶自己創(chuàng)建并給進程，但要確保key是唯一的。

我們知道key是不同進程找到同一個內(nèi)存空間的關(guān)鍵，要確保它們的key是一樣的。如果是系統(tǒng)分配fey，A進程先創(chuàng)建了共享內(nèi)存獲得一個keg，B進程如果想訪問A創(chuàng)建的共享內(nèi)存，就要獲取到key，但A B進程相互獨立不可能從A進程中獲取到key。

但如果是用戶給，可以讓用戶先生成唯一的key，再把key作為全局變量寫在AB進程的源代碼中，這樣AB進程就可以通過同一個key訪問到同一個共享內(nèi)存了。

如何生成唯一的key?

ftok()

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
key_t key = ftok("/path/to/file", 'R'); // 'R' 是一個項目標識符

ftok()函數(shù)是一個用于生成唯一鍵值的系統(tǒng)調(diào)用,它接受一個文件路徑和一個項目標識符（也可以是數(shù)字，通常是一個字符），并返回一個唯一的key。這個方法基于文件的 inode 號，因此只要文件存在且未被刪除，返回的key就會是唯一的。

ipcs -m命令?顯示所有的共享內(nèi)存信息

ipcs -m 用于顯示系統(tǒng)中當前存在的共享內(nèi)存段的信息。

ipcs -m
key        shmid    owner    perms      bytes      nattch    status
0x12345678  12345   user     666        1024       2

這條命令會列出所有的共享內(nèi)存段，包括它們的 shmid、鍵值、大小和其他信息。

bytes 1024 操作系統(tǒng)申請空間是按塊為單位（4kb...）來申請空間的，4096*x。假設(shè)該操作系統(tǒng)塊的大小為4kb如果你申請4097字節(jié)，還是會申請8kb空間，但只讓你用4097字節(jié)的空間，越界就報錯。

ipcrm -m命令刪除共享內(nèi)存段

ipcrm -m shmid

shmctl() 控制共享內(nèi)存 IPC_RMID刪除

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

參數(shù)

• shmid：共享內(nèi)存段的標識符，通常是通過?shmget?函數(shù)獲取的。
• cmd：命令，用于指定要執(zhí)行的操作，可以是以下常用值之一：
  • IPC_STAT：將共享內(nèi)存段的信息填充到?buf?指向的結(jié)構(gòu)中。
  • IPC_RMID：標記共享內(nèi)存段以便刪除。
  • SHM_LOCK：鎖定共享內(nèi)存段。
  • SHM_UNLOCK：解鎖共享內(nèi)存段。
  • SHM_INFO：獲取共享內(nèi)存的統(tǒng)計信息（POSIX擴展）。
• buf：指向?shmid_ds?結(jié)構(gòu)的指針，用于存儲共享內(nèi)存的元數(shù)據(jù)。
• 成功時返回 0。
• 失敗時返回 -1，并設(shè)置?errno?以指示錯誤原因。

shmat() 將共享內(nèi)存掛接到自己的地址空間中

void* shmat(int shmid, const void* shmaddr, int shmflg);

參數(shù)說明

• shmid: 共享內(nèi)存段的標識符，通常通過?shmget()?獲取。
• shmaddr: 指定共享內(nèi)存掛接到虛擬地址空間的起始地址。如果為?NULL，系統(tǒng)會選擇一個合適的地址。
• shmflg: 標志位: 0默認附加模式，進程可以讀寫共享內(nèi)存。?SHM_RDONLY: 只讀模式，進程只能讀取數(shù)據(jù)，不能寫入。

返回值

• 成功時，返回指向共享內(nèi)存掛接到虛擬地址空間的起始地址。
• 失敗時，返回?(void*) -1，并設(shè)置?errno?指示錯誤類型。

注意共享內(nèi)存也是有權(quán)限的，進程如果沒有對應的權(quán)限是不能完成掛接的。

shmid = shmget(IPC_PRIVATE, size, IPC_CREAT | 0666); // 創(chuàng)建共享內(nèi)存，權(quán)限為可讀可寫

在shmget（）創(chuàng)建共享內(nèi)存時，我們就可以設(shè)置權(quán)限0666:所有用戶都可以讀寫。

如果不設(shè)置權(quán)限，默認權(quán)限是0600:創(chuàng)建者可讀寫 其他人無權(quán)限

shmdt()取消掛載

int shmdt(const void *shmaddr);

const void *shmaddr：掛載到進程的虛擬地址空間的起始地址?

shmdt()于從進程的地址空間分離已經(jīng)附加的共享內(nèi)存段。它不會刪除共享內(nèi)存段本身。

shmctl(IPC_RMID) :用于標記共享內(nèi)存段為刪除，等待所有附加的進程分離后釋放資源。

共享內(nèi)存通信速度最快

1.直接訪問：共享內(nèi)存允許多個進程直接訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域，避免了數(shù)據(jù)復制的開銷。這與其他通信方式（如管道、消息隊列等）不同，后者通常需要在進程之間復制數(shù)據(jù)

管道：數(shù)據(jù)從外設(shè)讀取到進程A的內(nèi)核空間，然后通過系統(tǒng)調(diào)用將數(shù)據(jù)寫入管道。B通過系統(tǒng)調(diào)用從管道中讀取數(shù)據(jù)，再將其拷貝到自己的內(nèi)存中。

這種方式總共涉及四次拷貝：一次從外設(shè)到進程A的內(nèi)核空間，一次從內(nèi)核空間寫入管道，一次從管道讀取到進程B的內(nèi)核空間，最后一次從內(nèi)核空間到進程B的內(nèi)存。

共享內(nèi)存 ：數(shù)據(jù)從外設(shè)讀取到內(nèi)核空間后，進程A和進程B可以直接訪問共享的內(nèi)存區(qū)域，避免了多次拷貝。

因此，總的拷貝次數(shù)減少為兩次：一次從外設(shè)讀取到內(nèi)核空間，另一次是進程B直接從共享內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)。

2.低延遲：由于不涉及操作系統(tǒng)內(nèi)核的上下文切換，共享內(nèi)存通信的延遲較低，特別適合需要高頻率、低延遲的數(shù)據(jù)交換的場景。

3.高吞吐量：共享內(nèi)存能夠支持大量數(shù)據(jù)的快速傳輸，適合處理大規(guī)模數(shù)據(jù)或高并發(fā)的情況。

4.減少系統(tǒng)調(diào)用：其他通信機制往往需要進行系統(tǒng)調(diào)用，而共享內(nèi)存可以減少這種需求，從而提升性能。

消息隊列

os提供一個隊列，A B進程都可以看到這個隊列，把結(jié)構(gòu)體struct data作為結(jié)點放入隊列，再讓另一個進程拿該節(jié)點，實現(xiàn)通信。

怎么知道這個節(jié)點是其他進程放的呢？
用戶要自己創(chuàng)建struct data，里面有int type標識符，定義A進程標識符1 B為2，這樣就可以區(qū)分拿與自己標識符不同的節(jié)點。

msgget() msgctl()?

這兩個函數(shù)用法和shmget() shmctl() 差不多

int msgget(key_t key, int msgflg);

參數(shù)說明：

• key: 消息隊列的鍵值，可以通過?ftok()?函數(shù)生成。
• msgflg: 控制消息隊列的行為，通常使用以下標志：
  • IPC_CREAT: 如果消息隊列不存在則創(chuàng)建一個。
  • IPC_EXCL: 如果消息隊列已經(jīng)存在，調(diào)用失敗。
  • 權(quán)限位（如?0666）控制訪問權(quán)限。

返回值：

• 成功時返回消息隊列的標識符（非負整數(shù)）。
• 失敗時返回 -1。

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

參數(shù)說明：

• msqid: 消息隊列的標識符。
• cmd: 控制命令，可以是以下之一：
  • IPC_STAT: 獲取消息隊列的狀態(tài)信息。
  • IPC_SET: 設(shè)置消息隊列的屬性。
  • IPC_RMID: 刪除消息隊列。
• buf: 指向?msqid_ds?結(jié)構(gòu)的指針，用于存放或設(shè)置屬性。

返回值：

• 成功時返回 0。
• 失敗時返回 -1。

ipcs -q? ipcrm?-m

ipcs -q 用于顯示當前系統(tǒng)中所有的消息隊列的信息。

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes
0x12345678  12345      user1     666        0
0x87654321  12346      user2     666        0

ipcrm?-m刪除共享內(nèi)存段

ipcrm -m <shmid>

msgsnd() msgrcv() 特有

msgsnd() msgrcv()是消息隊列特有的函數(shù)

msgsnd() 發(fā)送消息

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

參數(shù)說明：

• msqid: 消息隊列的標識符。
• msgp: 指向要發(fā)送的消息節(jié)點的指針，消息的結(jié)構(gòu)體struct msgbuf要以標識符long mtype開頭?
• msgsz: 消息內(nèi)容的字節(jié)數(shù)（不包括?mtype）。
• msgflg: 自己的標識符，常用值包括?IPC_NOWAIT（如果隊列已滿則不等待，直接返回錯誤）。0: 默認行為，發(fā)送或接收消息時會阻塞，直到操作成功。

返回值：

• 成功時返回 0。
• 失敗時返回 -1。

msgrcv() 接收消息

int msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

參數(shù)說明：

• msqid: 消息隊列的標識符。
• msgp: 指向接收消息的緩沖區(qū)的指針。指向struct data
• msgsz: 消息內(nèi)容的最大字節(jié)數(shù)（不包括?mtype）。
• msgtyp: 指定接收消息的標識符mtype，可以是特定類型的消息（如?1），也可以是?0（接收任何類型的消息）或?-1（接收隊列中最早的消息）。
• msgflg: 控制接收行為的標志，常用值包括?IPC_NOWAIT（如果隊列為空則不等待，直接返回錯誤）。

返回值：

• 成功時返回接收到的消息字節(jié)數(shù)。
• 失敗時返回 -1。

信號量

信號量是一種用于進程間同步和互斥的機制，主要用于控制多個進程對共享資源的訪問。它通過維護一個整型計數(shù)器來實現(xiàn)，計數(shù)器的值表示可用資源的數(shù)量或狀態(tài)。

我們之前學過管道，我們把管道的資源看作一個整體，要寫整個資源所有地方都可以寫，要讀都可以讀。

現(xiàn)在我們把整個資源，分成多份，一個進程訪問一份。整個資源，有部分可能在寫入，還有部分可能在讀，不同進程，訪問共享資源，有一定并發(fā)性。

1.但是我們怎么知道整個資源里面還有多少份沒有進程占用？

我們可以用一個計算器count來記錄里面剩余個數(shù)，count=16 每進入一個進程count--（這種操作稱作P操作），出去count++（V操作）。

1. P操作（等待）：

   • 當線程或進程希望訪問某個共享資源時，它會執(zhí)行P操作。這個操作的作用是檢查信號量的值：
     • 如果信號量的值大于0，表示資源可用，線程可以繼續(xù)執(zhí)行，并且信號量的值減1。
     • 如果信號量的值為0，表示資源不可用，線程會被阻塞，直到信號量的值變?yōu)檎?/li>

2. V操作（釋放）：

   • 當線程或進程完成對共享資源的使用后，會執(zhí)行V操作。這個操作的作用是將信號量的值增加1，表示資源現(xiàn)在可用。如果有其他線程在等待這個資源，執(zhí)行V操作后會喚醒其中一個等待的線程。

2.現(xiàn)在有出現(xiàn)一個問題怎么讓不同進程看到同一個count呢？
可以用共享內(nèi)存 管道 讓進程與進程間建立聯(lián)系就可以

3.但這樣又有一個新問題，count++這種操作并不是原子性的，多個線程同時修改同一數(shù)據(jù)引發(fā)數(shù)據(jù)競爭。

使用二進制信號量（或互斥鎖），可以確保在任何時刻只有一個線程或進程能夠訪問臨界區(qū)（共享資源）。當一個線程進入臨界區(qū)時，它會調(diào)用 P 操作（等待），如果信號量值為 0，其他線程會被阻塞，直到該線程調(diào)用 V 操作（釋放），將信號量值加 1。

信號量可以分為兩種類型：

1.二進制信號量。count==1

2.計數(shù)信號量。count>1

1.semget()

可以創(chuàng)建nsems個信號量，一個信號量管理count個資源。

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

• key: 唯一標識符。
• nsems: 信號量的數(shù)量。
• semflg: 權(quán)限標志（如?IPC_CREAT、0666）。

2.semctl()

控制信號量集的操作，如獲取、設(shè)置信號量值或刪除信號量。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

• semid: 信號量集標識符。
• semnum: 信號量在集合中的索引。
• cmd: 操作命令（如?SETVAL、GETVAL、IPC_RMID?等）。

semnum:信號量集合允許我們同時管理多個信號量，semnum 就是用來指定我們想要操作的具體信號量。在一個信號量集合中，每個信號量都有一個唯一的索引，從 0 開始編號。例如，如果一個信號量集合中有三個信號量，索引將是 0、1 和 2。

3.semop()

?執(zhí)行對信號量的操作，如 P（wait）和 V（signal）。

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);struct sembuf {unsigned short sem_num;  // 信號量在集合中的索引short sem_op;           // 要執(zhí)行的操作（正數(shù)表示 V 操作，負數(shù)表示 P 操作）short sem_flg;          // 操作標志（如 `IPC_NOWAIT`）
};

• semid: 信號量集標識符。
• sops: 指向?sembuf?結(jié)構(gòu)數(shù)組的指針，定義了要執(zhí)行的操作。
• nsops: 數(shù)組中操作的數(shù)量。（對nsops個信號量進行PV操作）

ipcs -s?

顯示當前系統(tǒng)中所有的信號量信息，包括信號量的標識符、擁有者、權(quán)限和其他相關(guān)信息。

------ Semaphore Arrays --------
KEY        ID      OWNER    PERMS      NSEMS
0x12345678 12345   user     666        1

System V怎么實現(xiàn)IPC的

1.應用角度，看IPC屬性

struct shmid_ds里面是共享內(nèi)存的屬性，第一個成員變量就是struct ipc_prem結(jié)構(gòu)體。而消息隊列 信號量同樣也是以struct ipc_prem結(jié)構(gòu)體開頭，struct ipc_prem結(jié)構(gòu)體里面就保存著key值。也就是說不同 IPC 機制可以通過相同的方式來管理和控制訪問權(quán)限，不同的IPC機制都有自己的一套key值，所以共享內(nèi)存 消息隊列 信號量的key可能重復，但在一種IPC機制中key是唯一的。

2.從內(nèi)核角度，看IPC結(jié)構(gòu)

有全局的結(jié)構(gòu)體ipc_ids，里面有struct ipc_id_ary* entries指向結(jié)構(gòu)體ipc_id_ary。

結(jié)構(gòu)體ipc_id_ary最后一個成員變量是柔性數(shù)組，也就是說它可以動態(tài)保存kern_ipc_perm指針。kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)體里面保存的是IPC不同機制共同的屬性。

為什么說kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)體里面保存的是IPC不同機制共同的屬性？

因為在不同PC機制的屬性中第一個成員變量就是kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)體，其他成員變量都是根據(jù)不同IPC的實現(xiàn)機制特別增加的。

為什么不同IPC機制的屬性中第一個成員變量一定是kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)體？

因為結(jié)構(gòu)體ipc_id_ary中柔性數(shù)組保存的是kern_ipc_perm指針，如果共享內(nèi)存 消息隊列 信號量它們屬性第一個成員變量是kern_ipc_perm，那么就可以指向他們的結(jié)構(gòu)體屬性。

這樣ipc_id_ary數(shù)組就可以找到每個創(chuàng)建的共享內(nèi)存 消息隊列 信號量的屬性，進而進行管理。

其實我們shmget() msgget() semget()獲取的id就是它們在ipc_id_ary數(shù)組的下標。

和key值一樣，id在一種IPC機制中是唯一的，但在不同IPC機制中可能相同。

也就是說一個ipc_id_ary數(shù)組中指向的全是相同IPC機制的屬性。

其實共享內(nèi)存是一種文件

在共享內(nèi)存的屬性中有struct file*的指針，它指向一個文件，文件有inode，知道它的數(shù)據(jù)塊的物理地址。vm_start vm_end是共享內(nèi)存在虛擬地址空間的起始地址 結(jié)束地址，把它與指向文件的內(nèi)存塊的物理地址建立映射關(guān)系，進程可以通過這個映射直接訪問文件內(nèi)容。