共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是一種進(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制，它允許多個(gè)進(jìn)程訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域。這種方法可以提高效率，因?yàn)閿?shù)據(jù)不需要在進(jìn)程之間復(fù)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(gè)進(jìn)程shmget()創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域。
2. 映射共享內(nèi)存：其他進(jìn)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(jìn)程可以在共享內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)，進(jìn)行通信。
4. 解除映射和刪除：使用完后，進(jìn)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(biāo)識(shí)符

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

#include <sys/shm.h>

參數(shù)

• key: 一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，用于區(qū)分不同的共享內(nèi)存段。可以使用?ftok?函數(shù)生成。
• size: 請(qǐng)求的共享內(nèi)存段的大小（以字節(jié)為單位）。
• shmflg: 位圖 控制標(biāo)志，用于指定權(quán)限和其他選項(xiàng)。常見的選項(xiàng)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(cuò)誤。（返回成功一定是創(chuàng)建新的共享內(nèi)存）
  • 權(quán)限標(biāo)志，例如?0666?表示可讀可寫。

返回值

• 成功時(shí)，返回共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符（非負(fù)整數(shù)）。(相當(dāng)于FILE*)
• 失敗時(shí)，返回?-1，并設(shè)置?errno?以指示錯(cuò)誤類型。

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

我們知道key是不同進(jìn)程找到同一個(gè)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(jìn)程先創(chuàng)建了共享內(nèi)存獲得一個(gè)keg，B進(jìn)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(jìn)程相互獨(dú)立不可能從A進(jìn)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(jìn)程的源代碼中，這樣AB進(jìn)程就可以通過同一個(gè)key訪問到同一個(gè)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(gè)項(xiàng)目標(biāo)識(shí)符

ftok()函數(shù)是一個(gè)用于生成唯一鍵值的系統(tǒng)調(diào)用,它接受一個(gè)文件路徑和一個(gè)項(xiàng)目標(biāo)識(shí)符（也可以是數(shù)字，通常是一個(gè)字符），并返回一個(gè)唯一的key。這個(gè)方法基于文件的 inode 號(hào)，因此只要文件存在且未被刪除，返回的key就會(huì)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(dāng)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(huì)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(qǐng)空間是按塊為單位（4kb...）來申請(qǐng)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(qǐng)4097字節(jié)，還是會(huì)申請(qǐng)8kb空間，但只讓你用4097字節(jié)的空間，越界就報(bào)錯(cuò)。

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(biāo)識(shí)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(biāo)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(jì)信息（POSIX擴(kuò)展）。
• buf：指向?shmid_ds?結(jié)構(gòu)的指針，用于存儲(chǔ)共享內(nèi)存的元數(shù)據(jù)。
• 成功時(shí)返回 0。
• 失敗時(shí)返回 -1，并設(shè)置?errno?以指示錯(cuò)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(biāo)識(shí)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(huì)選擇一個(gè)合適的地址。
• shmflg: 標(biāo)志位: 0默認(rèn)附加模式，進(jìn)程可以讀寫共享內(nèi)存。?SHM_RDONLY: 只讀模式，進(jìn)程只能讀取數(shù)據(jù)，不能寫入。

返回值

• 成功時(shí)，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(shí)，返回?(void*) -1，并設(shè)置?errno?指示錯(cuò)誤類型。

注意共享內(nèi)存也是有權(quán)限的，進(jìn)程如果沒有對(duì)應(yīng)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(shí)，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(rèn)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(jìn)程的虛擬地址空間的起始地址?

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

shmctl(IPC_RMID) :用于標(biāo)記共享內(nèi)存段為刪除，等待所有附加的進(jìn)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(gè)進(jìn)程直接訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域，避免了數(shù)據(jù)復(fù)制的開銷。這與其他通信方式（如管道、消息隊(duì)列等）不同，后者通常需要在進(jìn)程之間復(fù)制數(shù)據(jù)

管道：數(shù)據(jù)從外設(shè)讀取到進(jìn)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(jìn)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(jìn)程B的內(nèi)核空間，最后一次從內(nèi)核空間到進(jìn)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(jìn)程A和進(jìn)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(jìn)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(jī)制往往需要進(jìn)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(duì)列

os提供一個(gè)隊(duì)列，A B進(jìn)程都可以看到這個(gè)隊(duì)列，把結(jié)構(gòu)體struct data作為結(jié)點(diǎn)放入隊(duì)列，再讓另一個(gè)進(jìn)程拿該節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)通信。

怎么知道這個(gè)節(jié)點(diǎn)是其他進(jìn)程放的呢？
用戶要自己創(chuàng)建struct data，里面有int type標(biāo)識(shí)符，定義A進(jìn)程標(biāo)識(shí)符1 B為2，這樣就可以區(qū)分拿與自己標(biāo)識(shí)符不同的節(jié)點(diǎn)。

msgget() msgctl()?

這兩個(gè)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(duì)列的鍵值，可以通過?ftok()?函數(shù)生成。
• msgflg: 控制消息隊(duì)列的行為，通常使用以下標(biāo)志：
  • IPC_CREAT: 如果消息隊(duì)列不存在則創(chuàng)建一個(gè)。
  • IPC_EXCL: 如果消息隊(duì)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(shí)返回消息隊(duì)列的標(biāo)識(shí)符（非負(fù)整數(shù)）。
• 失敗時(shí)返回 -1。

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

參數(shù)說明：

• msqid: 消息隊(duì)列的標(biāo)識(shí)符。
• cmd: 控制命令，可以是以下之一：
  • IPC_STAT: 獲取消息隊(duì)列的狀態(tài)信息。
  • IPC_SET: 設(shè)置消息隊(duì)列的屬性。
  • IPC_RMID: 刪除消息隊(duì)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(shí)返回 0。
• 失敗時(shí)返回 -1。

ipcs -q? ipcrm?-m

ipcs -q 用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)中所有的消息隊(duì)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(duì)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(duì)列的標(biāo)識(shí)符。
• msgp: 指向要發(fā)送的消息節(jié)點(diǎn)的指針，消息的結(jié)構(gòu)體struct msgbuf要以標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)符，常用值包括?IPC_NOWAIT（如果隊(duì)列已滿則不等待，直接返回錯(cuò)誤）。0: 默認(rèn)行為，發(fā)送或接收消息時(shí)會(huì)阻塞，直到操作成功。

返回值：

• 成功時(shí)返回 0。
• 失敗時(shí)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(duì)列的標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)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(duì)列中最早的消息）。
• msgflg: 控制接收行為的標(biāo)志，常用值包括?IPC_NOWAIT（如果隊(duì)列為空則不等待，直接返回錯(cuò)誤）。

返回值：

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

信號(hào)量

信號(hào)量是一種用于進(jìn)程間同步和互斥的機(jī)制，主要用于控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問。它通過維護(hù)一個(gè)整型計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器的值表示可用資源的數(shù)量或狀態(tài)。

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

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

1.但是我們?cè)趺粗勒麄€(gè)資源里面還有多少份沒有進(jìn)程占用？

我們可以用一個(gè)計(jì)算器count來記錄里面剩余個(gè)數(shù)，count=16 每進(jìn)入一個(gè)進(jìn)程count--（這種操作稱作P操作），出去count++（V操作）。

1. P操作（等待）：

   • 當(dāng)線程或進(jìn)程希望訪問某個(gè)共享資源時(shí)，它會(huì)執(zhí)行P操作。這個(gè)操作的作用是檢查信號(hào)量的值：
     • 如果信號(hào)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(hào)量的值減1。
     • 如果信號(hào)量的值為0，表示資源不可用，線程會(huì)被阻塞，直到信號(hào)量的值變?yōu)檎?/li>

2. V操作（釋放）：

   • 當(dāng)線程或進(jìn)程完成對(duì)共享資源的使用后，會(huì)執(zhí)行V操作。這個(gè)操作的作用是將信號(hào)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(gè)資源，執(zhí)行V操作后會(huì)喚醒其中一個(gè)等待的線程。

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

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

使用二進(jìn)制信號(hào)量（或互斥鎖），可以確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程或進(jìn)程能夠訪問臨界區(qū)（共享資源）。當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，它會(huì)調(diào)用 P 操作（等待），如果信號(hào)量值為 0，其他線程會(huì)被阻塞，直到該線程調(diào)用 V 操作（釋放），將信號(hào)量值加 1。

信號(hào)量可以分為兩種類型：

1.二進(jìn)制信號(hào)量。count==1

2.計(jì)數(shù)信號(hào)量。count>1

1.semget()

可以創(chuàng)建nsems個(gè)信號(hào)量，一個(gè)信號(hào)量管理count個(gè)資源。

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

• key: 唯一標(biāo)識(shí)符。
• nsems: 信號(hào)量的數(shù)量。
• semflg: 權(quán)限標(biāo)志（如?IPC_CREAT、0666）。

2.semctl()

控制信號(hào)量集的操作，如獲取、設(shè)置信號(hào)量值或刪除信號(hào)量。

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

• semid: 信號(hào)量集標(biāo)識(shí)符。
• semnum: 信號(hào)量在集合中的索引。
• cmd: 操作命令（如?SETVAL、GETVAL、IPC_RMID?等）。

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

3.semop()

?執(zhí)行對(duì)信號(hào)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(hào)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(fù)數(shù)表示 P 操作）short sem_flg;          // 操作標(biāo)志（如 `IPC_NOWAIT`）
};

• semid: 信號(hào)量集標(biāo)識(shí)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(duì)nsops個(gè)信號(hào)量進(jìn)行PV操作）

ipcs -s?

顯示當(dāng)前系統(tǒng)中所有的信號(hào)量信息，包括信號(hào)量的標(biāo)識(shí)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(shí)現(xiàn)IPC的

1.應(yīng)用角度，看IPC屬性

struct shmid_ds里面是共享內(nèi)存的屬性，第一個(gè)成員變量就是struct ipc_prem結(jié)構(gòu)體。而消息隊(duì)列 信號(hào)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(jī)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(jī)制都有自己的一套key值，所以共享內(nèi)存 消息隊(duì)列 信號(hào)量的key可能重復(fù)，但在一種IPC機(jī)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(gè)成員變量是柔性數(shù)組，也就是說它可以動(dòng)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(jī)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(jī)制共同的屬性？

因?yàn)樵诓煌琍C機(jī)制的屬性中第一個(gè)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(shí)現(xiàn)機(jī)制特別增加的。

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

因?yàn)榻Y(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(duì)列 信號(hào)量它們屬性第一個(gè)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(gè)創(chuàng)建的共享內(nèi)存 消息隊(duì)列 信號(hào)量的屬性，進(jìn)而進(jìn)行管理。

其實(shí)我們shmget() msgget() semget()獲取的id就是它們?cè)趇pc_id_ary數(shù)組的下標(biāo)。

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

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

其實(shí)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(gè)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(jìn)程可以通過這個(gè)映射直接訪問文件內(nèi)容。