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【Linux】基础：进程间通信

news 来源：原创 2024/11/17 5:59:10

【Linux】基础：进程间通信

摘要：本文主要介绍进程间通信的基础知识，首先将会对进程间通信进行简单概述，其中包括本质目的和方法分类。再介绍对于方法的实现过程，其中有三大类方法（管道、System V、POSIX），这里只会对管道和System V的共享内存进行具体介绍，由于消息队列的过于复杂且不实用，将进行简单介绍，而信号量由于基础知识储备不足，将会在后段时间，补充线程相关知识后再做介绍。

文章目录

【Linux】基础：进程间通信
- 一、概述
- - 1.1 前提本质
  - 1.2 目的
  - 1.3 分类
- 二、管道
- - 2.1 概述
  - 2.2 匿名管道
  - - 2.2.1 pipe系统调用
    - 2.2.2 匿名管道的读写情况分类
    - 2.2.3 匿名管道读写规则
    - 2.2.4 匿名管道的特点
  - 2.3 命名管道
  - - 2.3.1 指令mkfifo
    - 2.3.2 系统调用mkfifo
  - 2.4 对比
- 三、System V IPC
- - 3.1 概述
  - 3.2 共享内存——调用接口
  - - 3.2.1 shmget
    - 3.2.2 删除共享内存空间（ipcrm、shmctl）
    - 3.2.3 shmat
    - 3.2.4 shmdt
    - 3.2.5 实例
  - 3.3 共享内存——特点
  - 3.4 ipc资源的数据结构
  - 3.5 消息队列
  - 3.6 信号量

一、概述

1.1 前提本质

在进程之间，可能存在各种特定的协同工作常见，需要吧一个进程的数据交付给另外一个进程，让其进行处理，这个过程称为进程间的通信。可是进程是具有独立性的，一个进程是看不到另外一个进程的资源的，如果直接交付，可能成本很高。为此进程间需要进行相互通信，操作系统则是安排了一份公共的资源，这份资源不属于各个进程而只属于操作系统，并且该资源是一段内存。这份资源可能是文件方式提供，可能是以队列方式提供，也可能是通过提供原始内存块完成，造就了通信方式的多样性。为此可以得出进程通信的前提本质，即是有操作系统参与，提供一份所有通信进程能看到的公共资源，而操作系统需要设计相应的通信方式。

1.2 目的

数据传输：一个进程需要将数据发送给另一个进程
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。

1.3 分类

管道

匿名管道pipe
命名管道

System V IPC

System V 消息队列
System V 共享内存
System V 信号量

POSIX IPC

消息队列
共享内存
信号量
互斥量
条件变量
读写锁

二、管道

2.1 概述

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式，把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个管道。而且管道是一个只能单向通信的信道。

管道分为匿名管道与命名管道。匿名管道的原理是通过父子（或有血缘关系的）进程可以继承文件标识符表，从而读取相同的文件内核缓冲区的内容完成管道通信，需要掌握五种特点与四种使用情况。而命名管道则是相对于匿名管道而言，通过相应的系统调用完成匿名管道的建立，其中该管道内容是写入内存中的，否则写入磁盘会极其的影响效率。

2.2 匿名管道

基本原理

匿名管道是一种基于文件的通信方式，对于父进程而言，其创建之初会同时创建进程描述符，其中会存在关于记录文件信息的数据结构，在Linux中，存在结构体指针struct file_struct *fs指向储存该进程文件信息的结构体。该结构体中存在结构体指针数组struct *file fd_array[]，通过文件描述符指向对应文件结构体，从而达到管理文件的目的。
当创建子进程后，该关于进程管理的数据结构，同样会拷贝新的一份在内存中，但是对于管理的打开后的文件，将不再赋值，而是通过指针指向，因此父子进程此时存在共同的共享资源文件。
而父子进程，通过对于文件描述符的管理和使用，通过该共享文件进行进程间的通信过程。

2.2.1 pipe系统调用

头文件：#include <unistd.h>

定义：int pipe(int pipefd[2]);

作用：创建一个匿名管道

参数：

fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值：成功返回0，失败返回错误代码

实例：在父进程中，通过系统调用pipe创建一个管道，并打印管道对应的文件描述符。创建子进程作为写端，首先关闭子进程的读端，并通过循环，使用系统调用write持续写入信息语句。对于父进程而言，作为读端，关闭写端后通过系统调用read，不断从信道中读取内容并打印。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.h>

int main(){
	int pipefd[2] = {0};
	if(pipe(pipefd) != 0){
		perror("pipe error");
		return 1;
	}

	printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);
	printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);

	if(fork() == 0){
        // 关闭读端
		close(pipefd[0]);

		const char* msg = "hello pipe\n";
		while(1){
			write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
			sleep(1);
		}
		exit(0);
	}
	// 关闭写端
	close(pipefd[1]);
	while(1){
		char buffer[64] = {0};
		ssize_t s = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer) - 1);
		if(s == 0){
			// 文件描述符关闭或文件到达结尾
			break;
		}
		else if(s>0){
			buffer[s - 1] = 0;
			printf("child ---> father :%s\n",buffer);
		}
		else{
			// 错误
			break;
		}
	}
	return 0;
}

[root@VM-12-7-centos pipe]# ./pipe_test 
pipefd[0]:3
pipefd[1]:4
child ---> father :hello pipe
child ---> father :hello pipe
child ---> father :hello pipe

2.2.2 匿名管道的读写情况分类

读端不读或者读端读写较慢，写端需要等待读端

对于实例进行修改，子进程写入不进行等待，而父进程读数据需要等待或者不读，并对写入的字节数进行计数，代码示例如下。其结果为当写入65536个字节后将不再读写，并且在读端读取数据后仍然不进行读写。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
	int pipefd[2] = {0};
	if(pipe(pipefd) != 0){
		perror("pipe error");
		return 1;
	}
	printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);
	printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);
	if(fork() == 0){
		int count = 0;
		close(pipefd[0]);
		while(1){
			write(pipefd[1],"a",1);
			count++;
			printf("count:%d\n",count);
		}
		exit(0);
	}
	close(pipefd[1]);
	while(1){
		sleep(10);
		char buffer[64] = {0};
		ssize_t s = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer) - 1);
		if(s == 0){
			// 意味着文件描述符关闭或文件到达结尾
			printf("child quit\n");
			break;
		}
		else if(s>0){
			buffer[s - 1] = 0;
			printf("child ---> father :%s\n",buffer);
		}
		else{
			// 错误
			printf("read error\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

count:65534
count:65535
count:65536
child ---> father :aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

由此可以说明管道大小是有限的，当写满64KB时，写端不再写入，可是如何继续写入，将读端的读取数量更改更大时，再次进行实验。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
	int pipefd[2] = {0};
	if(pipe(pipefd) != 0){
		perror("pipe error");
		return 1;
	}
	printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);
	printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);
	if(fork() == 0){
		int count = 0;
		close(pipefd[0]);
		while(1){
			write(pipefd[1],"a",1);
			count++;
			printf("count:%d\n",count);
		}
		exit(0);
	}
	close(pipefd[1]);
	while(1){
		sleep(10);
		char buffer[64] = {0};
		ssize_t s = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer) - 1);
		if(s == 0){
			// 意味着文件描述符关闭或文件到达结尾
			printf("child quit\n");
			break;
		}
		else if(s>0){
			buffer[s - 1] = 0;
			printf("child ---> father :%s\n",buffer);
		}
		else{
			// 错误
			printf("read error\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

运行上述C语言代码，发现当读端数据达到一定量时就会继续，就会继续写入，由此说明管道是自带同步机制的，当要写入的数据量不大于PIPE_BUF（4KB）时，linux将保证写入的原子性。当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

读端关闭，写端收到SIGNPIPE信号直接终止

通过进程等待获取相应信号，完成实例实验，示例如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(){
	int pipefd[2] = {0};
	if(pipe(pipefd) != 0){
		perror("pipe error");
		return 1;
	}

	printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);
	printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);

	if(fork() == 0){
		close(pipefd[0]);
		const char* msg = "hello pipe";
		while(1){
			write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
			sleep(1);
		}
		close(pipefd[1]);
		exit(0);
	}

	close(pipefd[1]);
	while(1){
		sleep(1);
		char buffer[64] = {0};
		ssize_t s = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));
		if(s == 0){
			// 意味着文件描述符关闭或文件到达结尾
			printf("writer quit\n");
			break;
		}
		else if(s>0){
			buffer[s] = 0;
			printf("child ---> father :%s\n",buffer);
			break;
		}
		else{
			// 错误
			printf("read error\n");
			break;
		}
	}
	close(pipefd[0]);

	// 获取退出信息
	int status = 0;
	waitpid(-1,&status,0);
	printf("exit code: %d\n",(status>>8) & 0xFF);
	printf("exit signal: %d\n",(status) & 0x7F);
	return 0;
}

[root@VM-12-7-centos pipe]# ./pipe_test 
pipefd[0]:3
pipefd[1]:4
child ---> father :hello pip
exit code: 0
exit signal: 13

可以发现写端受到了13号信号，此处的13号信号就是13) SIGPIPE 信号。原理在于当读端关闭时，写端还在写入，在操作系统层面，无人是读取该数据的，是在浪费操作系统的资源，因此操作系统会终止精华才能，发送信号。

[root@VM-12-7-centos pipe]# kill -l
 1) SIGHUP       2) SIGINT       3) SIGQUIT      4) SIGILL       5) SIGTRAP
 6) SIGABRT      7) SIGBUS       8) SIGFPE       9) SIGKILL     10) SIGUSR1
11) SIGSEGV     12) SIGUSR2     13) SIGPIPE     14) SIGALRM     15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT   17) SIGCHLD     18) SIGCONT     19) SIGSTOP     20) SIGTSTP
21) SIGTTIN     22) SIGTTOU     23) SIGURG      24) SIGXCPU     25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM   27) SIGPROF     28) SIGWINCH    29) SIGIO       30) SIGPWR
31) SIGSYS      34) SIGRTMIN    35) SIGRTMIN+1  36) SIGRTMIN+2  37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4  39) SIGRTMIN+5  40) SIGRTMIN+6  41) SIGRTMIN+7  42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9  44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9  56) SIGRTMAX-8  57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6  59) SIGRTMAX-5  60) SIGRTMAX-4  61) SIGRTMAX-3  62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1  64) SIGRTMAX

写端不写或者写的较慢，读端要等待写端

通过修改实例，模拟写端不写或者写的较慢，读端要等待写端的场景，可以发现读端需要等待写端，并且具有自带的同步机制，不会出现新老数据覆盖的问题

写端关闭，读端读完pipe内部的数据然后再读，会读到0，表示读到文件结尾

示例代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.h>
int main(){
	int pipefd[2] = {0};
	if(pipe(pipefd) != 0){
		perror("pipe error");
		return 1;
	}
	printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);
	printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);
	if(fork() == 0){
		close(pipefd[0]);
		const char* msg = "hello pipe";
		while(1){
			write(pipefd[1],msg,strlen(msg));
			sleep(5);
			break;
		}
		close(pipefd[1]);
		exit(0);
	}
	close(pipefd[1]);
	while(1){
		sleep(1);
		char buffer[1] = {0};
		ssize_t s = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));
		if(s == 0){
			// 意味着文件描述符关闭或文件到达结尾
			printf("writer quit\n");
			break;
		}
		else if(s>0){
			printf("child ---> father :%s\n",buffer);
		}
		else{
			// 错误
			printf("read error\n");
			break;
		}
	}
	return 0;
}

[root@VM-12-7-centos pipe]# ./pipe_test 
pipefd[0]:3
pipefd[1]:4
child ---> father :h
child ---> father :e
child ---> father :l
child ---> father :l
child ---> father :o
child ---> father : 
child ---> father :p
child ---> father :i
child ---> father :p
child ---> father :e
writer quit

2.2.3 匿名管道读写规则

无数据可读

O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。

管道满

O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN

当管道关闭时

如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0
如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出

原子性

当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

2.2.4 匿名管道的特点

匿名管道是一个只能单向通信的信道，当需要进行管道通信时，需要关闭一端的读端和一端的写端
匿名管道是面向字节流的
匿名管道是仅限于父子进程或具有血缘关系的进程间的通信
匿名管道匿名管道自带同步机制，进行的是原子性写入
管道的生命周期是随进程的

2.3 命名管道

命名管道是为了解决匿名管道只能进行父子通信的问题而产生的，之所以称为匿名管道是在用户层面可以通过唯一的文件标识路径来命名，标志管道所在位置。命名管道的创建是依靠指令mkfifo来完成的，该管道的数据时写入内存中而不写入磁盘中，大幅提高进程间的通信效率，命名管道是一种特殊类型的文件。

2.3.1 指令mkfifo

作用：创建一个命名管道

语句：mkfifo [OPTION]... NAME...

示例：通过输入重定向将数据发送至管道，再通过cat命令获取管道内容

[root@VM-12-7-centos pipe_named]# mkfifo fifo
[root@VM-12-7-centos pipe_named]# ll
total 0
prw-r--r-- 1 root root 0 Jan  8 17:56 fifo
[root@VM-12-7-centos pipe_named]# echo "hello world" > fifo

[root@VM-12-7-centos pipe_named]# cat fifo
hello world

2.3.2 系统调用mkfifo

头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

定义：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

作用：创建一个命名管道

参数：

pathname：文件路径，依参数pathname建立特殊的FIFO文件
mode：权限设置，注意umask掩码(mode & ~umask)。

返回值：若成功则返回0，否则返回-1，错误原因存于errno中。

实例:

通过命名管道，来完成服务端与客户端之间的对话，并且完成对于客户端传来的对话内容完成部分业务逻辑操作。步骤如下：

创建service.c client.c comm.h，分别放置源代码以及共同的头文件宏定义

编写Makefile文件：生成两个可执行文件，通过伪目标完成编译工作

.PHONY:all
all:client server

client:client.c
	gcc -o $@ $^

server:server.c
	gcc -o $@ $^

.PHONY:clean
	rm -f client serve

编写server.c文件，该文件用于创建一个命名管道，而剩下的业务逻辑（识别ls命令与打印客户端方发来的信息），通过文件操作来完成即可，代码如下：

#include "comm.h"

int main(){
    umask(0);
    if(mkfifo(FIFO,0666) < 0){
        perror("mkfifo error");
        return 1;
    }
    int fd = open(FIFO,O_RDONLY);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        return 2;
    }
    // 进行文件操作即可
    while(1){ 
       char buffer[64] = { 0 };
       ssize_t s = read(fd,buffer,sizeof(buffer) - 1);
       // 业务逻辑
       if(s > 0){
        if(strcmp(buffer,"please ls") == 0){
            if(fork()==0){
                execl("/usr/bin/ls","ls","-l",NULL);
                exit(1);
            }
            waitpid(-1,NULL,0);
        }
        buffer[s] = 0;
        printf("[client-->]# : %s\n",buffer);
       }
       else if(s == 0){
        printf("client quite\n");
        break;
       }
       else{
        printf("read error\n");
        break;
       }
    }
    return 0;
}

编写client.c文件，从标准输入中获取数据，并写入管道中

#include "comm.h"

int main(){
    int fd = open(FIFO,O_WRONLY);
    if(fd < 0){
        perror("open error");
        return 1;
    }

    // 通过文件操作完成业务逻辑
    while(1){
        printf("[client ]# ");
        fflush(stdout);
        char buffer[64] = {0};
        // 将数据从标准输入拿到client内部
        ssize_t s = read(0,buffer,sizeof(buffer) - 1);
        if(s > 0){
            buffer[s-1] = 0;
            printf("%s\n",buffer);
            write(fd,buffer,strlen(buffer));
        }
    }
    close(fd);
    return 0;
}

统一头文件至comm.h

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
#include<string.h>

#define FIFO "./fifo"

实验过程：

[root@VM-12-7-centos pipe_named]# ./client 
[client ]# hello  
hello
[client ]# please ls
please ls
[client ]# ^C

[root@VM-12-7-centos pipe_named]# ./server 
[client-->]# : hello
total 56
-rwxr-xr-x 1 root root 17880 Jan  8 20:33 client
-rw-r--r-- 1 root root   563 Jan  8 20:29 client.c
-rw-r--r-- 1 root root   195 Jan  8 20:22 comm.h
prw-rw-rw- 1 root root     0 Jan  8 20:33 fifo
-rw-r--r-- 1 root root   138 Jan  8 20:23 makefile
-rwxr-xr-x 1 root root 18040 Jan  8 20:33 server
-rw-r--r-- 1 root root   838 Jan  8 20:29 server.c
[client-->]# : please ls
client quite

2.4 对比

匿名管道：也是文件，不过该文件时没有名字的，通过继承的方式，查看同一份资源，不需要通过标识符来标识同一份资源；

命名管道：是需要有名字的，为了保证不同进程看到的是同一文件，在用户层方面通过文件唯一标识符来进行标识。

三、System V IPC

3.1 概述

System V是一种方案，在操作系统层面专门为进程设计了一个方案，为了给予用户层面使用，而操作系统是不信任任何用户的，因此给予用户使用的使用，采用调用系统调用的方法。

对于System V标准完成进程间通信，有三种方案，分别为共享内存、消息队列和信号量三种方式。其中在本文中主要介绍共享内存，而消息队列不会介绍，信号量只是在概念层面进行说明，在后续线程学习后的文章进行介绍。

对于进程间通信的本质是让不同的进程看到同一份资源，而共享内存亦是如此。对于进程而言，操作系统将会创建相应的进程控制块和相应的数据结构，而进程控制块中将会记录了进程的地址空间，进程地址空间将会通过页表来映射逻辑地址与物理地址的关系。而共享内存，则是在物理空间中开辟出一部分空间，而进程将其挂接在该共享空间上，并在页表上建立逻辑空间与物理空间的映射关系，进程地址空间中记录了逻辑空间的起始地址。图示如下：

系统调用所需要完成的是在内存中创建一份内存空间，让参与通信的多个进程”挂接“到这份新开辟的内存空间上，若不需要进行进程间通信的话，则需要去关联以及进行释放共享内存。

对于操作系统来说，同样也需要对这些不同的共享内存进行管理，因此操作系统会存在对这些共享内存进行描述和组织的相应数据结构，其中最为重要的是，对于共享内存的标识符，通过这个唯一标识符，让需要进行通信的进程看到同一份共享内存，这一描述符将会存储于描述共享内存的数据结构中。在文章的后续内容，将会对其进行简单的介绍。

3.2 共享内存——调用接口

3.2.1 shmget

作用：得到一个共享内存标识符或创建一个共享内存对象并返回共享内存标识符

头文件：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

参数：

key：用于标识共享内存的键值，0(IPC_PRIVATE)会建立新共享内存对象，当大于0的32位整数，通过参数shmflg来确定操作，通常要求此值来源于ftok返回的IPC键值。

补充：ftok可以用于形成key值，作为参数传给key，其定义为key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);，参数pathname为自定义路径名，参数proj_id为自定义项目ID

头文件为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
此处的key会设置进内核关于shm的内核数据结构中，通过可以相同形成key的算法和原始数据一致来形成一个ID，从而让不同进程查看到同一共享内存空间
size：建立共享内存的大小，建议大小为4KB。在分配共享内存是时，会以页为单位进行分配，而一页大小为4KB，但是当不足时，会向上取整进行分页，但是基于共享内存的大小不是按页的大小决定，而是根据参数所需要的进行限定。

shmflg：shmflg是权限标志，只需关注部分常用选项，当IPC_CREAT单独使用或flg为0时，创建一个内存空间，如果创建的内存空间存在，则返回当前已经存在的内存空间，当为IPC_CREAT | IPC_EXCL表示如果不存在共享内存空间，则会创建内存空间，如果已经有内存空间，则会返回出错。使用时需要与IPC对象存取权限进行|运算来确定信号量集的存取权限，可以在ipcs中的perm中查看。

返回值：成功，返回共享内存的标识符，失败，出错：-1，错误原因存于error中

实例：通过系统调用shmget，其中生成key的方法为调用ftok，将其中的自定义参数与自定义项目ID写在comm.h中，并将生成共享内存的代码写入server.c中。

补充：可以通过ipcs -m指令查看共享内存。其中bytes表示内存快的大小，nattach表示与共享内存快连接的进程个数。通过ipcrm -m shmid来删除共享内存空间。

.PHONY:all
all:client server

client:client.c
	gcc -o $@ $^

server:server.c
	gcc -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server

#pragma once

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define PATH_NAME "./"
#define PROJ_ID 0x666
#define SIZE 4096

#include "comm.h"

int main(){
    key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key < 0){
	    perror("ftok");
	    return 1;
    }
    int shmid = shmget(key ,SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL);
    if(shmid < 0){
	    perror("shmget");
	    return 2;
    }
    printf("key: %u,shmid: %d\n",key,shmid);
    return 0;
}

[root@VM-12-7-centos share_memory]# ./server 
key: 1711347423,shmid: 0
[root@VM-12-7-centos share_memory]# ./server 
shmget: File exists
[root@VM-12-7-centos share_memory]# ipcs -m

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x660116df 0          root       0          4096       0    
[root@VM-12-7-centos share_memory]# ipcrm -m 0
[root@VM-12-7-centos share_memory]# ipcs -m

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status

3.2.2 删除共享内存空间（ipcrm、shmctl）

system V的IPC资源，是不属于任何一个进程的，而生命周期是随内核的，只能通过用户层进行显示释放（命令或系统调用），或者是将操作系统重启。

命令删除

通过命令可以使用ipcrm -m shmid来删除共享内存空间。实例如下：

[root@VM-12-7-centos share_memory]# ipcs -m

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x660116df 0          root       0          4096       0    
[root@VM-12-7-centos share_memory]# ipcrm -m 0
[root@VM-12-7-centos share_memory]# ipcs -m

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status

而在此使用的shmid来删除共享内存块，原因是key是用来在系统层面进行标识唯一性，不能用来管理shm，而shmid是操作系统返回给用户的id，对于用户层shell来说，可以通过此来管理shm。

系统调用删除（shmctl）

头文件：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

作用：控制共享内存（此处只介绍删除）

参数：

shmid：共享内存标识符
cmd：IPC_RMID：删除这片共享内存

buf：共享内存管理结构体，在man 2 shmclt中可以查看到，具体内容如下：

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
    size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
    time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
    time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
    time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
    pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
    pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
    ...
};

返回值：成功，返回共享内存的标识符，失败，出错：-1，错误原因存于error中

实例：对创建后的共享内存空间进行通过系统调用的删除

#include "comm.h"

int main(){
    key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key < 0){
	    perror("ftok");
	    return 1;
    }
    // 创建
    int shmid = shmget(key ,SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
    if(shmid < 0){
	    perror("shmget");
	    return 2;
    }
    printf("key: %u,shmid: %d\n",key,shmid);

    sleep(10);
    // 删除
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    printf("key: 0x%x, shmid: %d -> shm delete success\n",key ,shmid);

    sleep(10);

    return 0;
}

[root@VM-12-7-centos share_memory]# ./server 
key: 1711347423,shmid: 3
key: 0x660116df, shmid: 3 -> shm delete success

3.2.3 shmat

头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

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

作用：将共享内存段连接到进程地址空间

参数：

shmid：共享内存标识
shmaddr：指定连接的地址，如果shmaddr 是NULL，系统将自动选择一个合适的地址
shmflg：shm_flg是一组标志位，通常为0，在flag中指定了SHM_RDONLY位，则以只读方式连接此段，否则以读写的方式连接此段。

返回值：成功返回一个指针，指向共享内存第一个节；失败返回-1

说明：

shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址
shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。
shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)
shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存

实例：

#include "comm.h"

int main(){
    key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key < 0){
	    perror("ftok");
	    return 1;
    }
    // 创建
    int shmid = shmget(key ,SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
    if(shmid < 0){
	    perror("shmget");
	    return 2;
    }
    printf("key: %u,shmid: %d\n",key,shmid);

    // 连接
    char *mem = shmat(shmid , NULL , 0);
    printf("attaches shm success\n");

    sleep(5);

    // 删除
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    printf("key: 0x%x, shmid: %d -> shm delete success\n",key ,shmid);

    sleep(5);

    return 0;
}

[root@VM-12-7-centos share_memory]# ./server 
key: 1711347423,shmid: 4
attaches shm success
key: 0x660116df, shmid: 4 -> shm delete success

3.2.4 shmdt

头文件：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

定义：int shmdt(const void *shmaddr);

作用：将共享内存段与当前进程脱离

参数：shmaddr：由shmat所返回的指针

返回值：成功返回0；失败返回-1

注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

实例：

#include "comm.h"

int main(){
    key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key < 0){
	    perror("ftok");
	    return 1;
    }
    // 创建
    int shmid = shmget(key ,SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
    if(shmid < 0){
	    perror("shmget");
	    return 2;
    }
    printf("key: %u,shmid: %d\n",key,shmid);

    // 连接
    char *mem = shmat(shmid , NULL , 0);
    printf("attaches shm success\n");

    // 解除
    shmdt(mem);
    printf("detaches shm success\n");

    // 删除
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    printf("key: 0x%x, shmid: %d -> shm delete success\n",key ,shmid);

    return 0;
}

[root@VM-12-7-centos share_memory]# ./server 
key: 1711347423,shmid: 5
attaches shm success
detaches shm success
key: 0x660116df, shmid: 5 -> shm delete success

3.2.5 实例

实现客户端与服务端进行的通信：

在实例中可以发现并未使用向管道那样的系统调用接口，共享内存一旦建立好并映射到进程的地址空间，该进程可以直接看到该共享内存，同C语言那样，直接使用该内存地址空间即可，不需要使用任何系统调用接口。

服务端：

#include "comm.h"

int main(){
    key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key < 0){
            perror("ftok");
            return 1;
    }
    // 创建
    int shmid = shmget(key ,SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
    if(shmid < 0){
            perror("shmget");
            return 2;
    }
    printf("key: %u,shmid: %d\n",key,shmid);

    // 连接
    char *mem = shmat(shmid , NULL , 0);
    printf("attaches shm success\n");

    // 业务逻辑
    while(1){
            sleep(1);
            printf("%s\n",mem);
    }


    // 解除
    shmdt(mem);
    printf("detaches shm success\n");


    // 删除
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    printf("key: 0x%x, shmid: %d -> shm delete success\n",key ,shmid);


    return 0;
}

客户端：

#include "comm.h"

int main(){
    //生成key	
    key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key < 0){
	    perror("ftok");
	    return 1;
    }
    printf("%u\n",key);
    
    // 获取shmid
    int shmid = shmget(key,SIZE,IPC_CREAT);
    if(shmid < 0){
	    perror("shmget");
	    return 1;
    }
    
    // 连接
    char *mem = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
    printf("client process attaches success\n");

    // 业务逻辑
    char c = 'A';
    while(c <= 'E'){
	    // 在内存中写入字符
	    mem[c - 'A'] = c;
	    // char 字符 ++
	    c++;
	    // 内存尾写入文件描述符
	    mem[c - 'A'] = 0;
	    sleep(1);
    }

    // 解除
    shmdt(mem);
    printf("client process detaches success\n");

    return 0;
}

实验结果：

[lht@VM-12-7-centos share_memory]$ ./server 
key: 1711347423,shmid: 9
attaches shm success


A
AB
ABC
ABCD
ABCDE
ABCDE
......

[lht@VM-12-7-centos share_memory]$ ./client 
1711347423
client process attaches success
client process detaches success

3.3 共享内存——特点

共享内存是不提供任何同步或互斥机制的，需要程序员自行保证数据安全，但是，共享内存由于是不需要调用任何系统调用接口，而是直接访问对应的地址空间，因此相对来说共享内存是所有进程间通信方法中速率最快的。

3.4 ipc资源的数据结构

通过man命令，可以查看到所有System V标准的IPC资源，每一个命名皆以id_ds结尾，其中仔细观察可以发现，描述这些资源的数据结构，其中接口显示，数据结构的第一个结构类型完全相同，皆为struct ipc_perm,具体如下：

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
    size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
    time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
    time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
    time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
    pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
    pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
    ...
};

The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields are settable using IPC_SET):

struct ipc_perm {
    key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */
    uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */
    gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */
    uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */
    gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */
    unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST and
                                           SHM_LOCKED flags */
    unsigned short __seq;    /* Sequence number */
};

The msqid_ds data structure is defined in <sys/msg.h> as follows:

struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;     /* Ownership and permissions */
    time_t          msg_stime;    /* Time of last msgsnd(2) */
    time_t          msg_rtime;    /* Time of last msgrcv(2) */
    time_t          msg_ctime;    /* Time of last change */
    unsigned long   __msg_cbytes; /* Current number of bytes in
                                                queue (nonstandard) */
    msgqnum_t       msg_qnum;     /* Current number of messages
                                                in queue */
    msglen_t        msg_qbytes;   /* Maximum number of bytes
                                                allowed in queue */
    pid_t           msg_lspid;    /* PID of last msgsnd(2) */
    pid_t           msg_lrpid;    /* PID of last msgrcv(2) */
};

The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields are settable using IPC_SET):

struct ipc_perm {
    key_t          __key;       /* Key supplied to msgget(2) */
    uid_t          uid;         /* Effective UID of owner */
    gid_t          gid;         /* Effective GID of owner */
    uid_t          cuid;        /* Effective UID of creator */
    gid_t          cgid;        /* Effective GID of creator */
    unsigned short mode;        /* Permissions */
    unsigned short __seq;       /* Sequence number */
};

The semid_ds data structure is defined in <sys/sem.h> as follows:

struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;  /* Ownership and permissions */
    time_t          sem_otime; /* Last semop time */
    time_t          sem_ctime; /* Last change time */
    unsigned long   sem_nsems; /* No. of semaphores in set */
};

The ipc_perm structure is defined as follows (the highlighted fields are settable using IPC_SET):

struct ipc_perm {
    key_t          __key; /* Key supplied to semget(2) */
    uid_t          uid;   /* Effective UID of owner */
    gid_t          gid;   /* Effective GID of owner */
    uid_t          cuid;  /* Effective UID of creator */
    gid_t          cgid;  /* Effective GID of creator */
    unsigned short mode;  /* Permissions */
    unsigned short __seq; /* Sequence number */
};