进程之间的通信（共享内存 + 其他IPC原理）

1 共享内存

1.1 共享内存原理

1、共享内存本质上就是物理内存上的一块区域，我们通过将其与页表建立链接，并映射到进程的共享区，这样我们的进程就能够看到这份资源，如果我们将另一个进程也与其建立链接，那么物理内存上的这块区域就叫做共享区。
2、共享内存本质上也是让不同的进程，看到同一份资源
3、当我们不需要使用共享区时，我们需要将物理内存区域与共享区去关联
4、共享内存可以有多个，其需要被OS管理（先描述，在组织）
5、共享内存 == 共享内存的数据结构 + 内存块

1.2 预备知识

1、共享内存也是由一个进程创建，另一个进程使用
2、man shmget（获取共享内存）

第一个参数：共享内存有唯一的标识符（key）
（1）必须用户输入
（2）怎么保证shm唯一性？怎么保证不同进程看到的是同一个共享内存？
---- 我们自己输入一个唯一的key，

第三个参数一般只使用两个（IPC_CREAT | IPC_EXCL）
（1）单独使用IPC_CREAT，如果shm不存在则创建，存在则获取它，并返回 ---- 保证能拿到共享内存
（2）单独使用IPC_EXCL，单独使用无意义
（3）两者共同使用，如果shm不存在，则创建，如果存在，出错返回 ---- 只要成功，一定是新的共享内存（不拿老的共享内存）

3、为什么key不由OS创建？而是用户传入？
如果key由OS创建了，另一个进程怎么拿到key？用户定义key才能使两个进程互相通信
4、我们设置key会不会发生冲突，发生冲突怎么办？
会发生冲突，发生时需要由用户手动更改，OS封装ftok（man ftok），由OS的算法形成唯一值

5、linux是通过路径+项目ID确定不同进程看到同一个资源
6、共享内存的生命周期随内核（必须手动释放 / OS重启），malloc出来的空间随进程，进程结束自动释放

共享内存的管理指令
（1）ipcs -m： 系统层面查看共享内存
（2）ipcrm -m + shmid：删除共享内存
（3）shmid：只给用户的一个标识shm的标识符
key：只作为内核中区分shm唯一性的标识符，不作为管理shm的id值

7、代码释放shm （man shmctl）

8、将共享内存挂接到自己的地址空间中

（1）shmaddr：由用户决定挂接到什么虚拟空间，在这里我们不需要关注，所以设置为nullptr即可
（2）shmflg：共享内存用来干什么，这里我们也不会用到，设置为0即可
（3）返回值void*：成功挂载时，返回虚拟地址的起始地址，失败则返回-1

9、去共享内存和进程地址空间的关联（shmdt）
参数就是挂接共享内存的返回值

3 （无保护）共享内存的代码示例

1、makefile

2、server.cc

3、client.cc

4、ShareMemory.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const std::string path = "/home/tsy/lesson";
int projId = 0x6666;
int gshmsize = 4096; // OS按照1k 4k 4m申请空间
mode_t gmode = 0600;std::string ToHex(key_t k)
{char buff[64];snprintf(buff, sizeof(buff), "0x%x", k);return buff;
}class ShareMemory
{void CreateShmHeaper(int shmflg){// 1、创建key_key = ::ftok(path.c_str(), projId);if (_key < 0){std::cerr << "ftok error!" << std::endl;return;}// 2、创建共享内存 && 获取// 注意：共享内存也有权限！shmflg_shmid = ::shmget(_key, gshmsize, shmflg);if (_shmid < 0){std::cerr << "shmget error!" << std::endl;return;}return;}public:ShareMemory() : _shmid(-1), _key(0), _addr(nullptr){}~ShareMemory() {}void CreateShm(){if (_shmid == -1)CreateShmHeaper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode); //|mode 给定共享内存权限}void GetShm(){CreateShmHeaper(IPC_CREAT);}void AttachShm(){// 3、共享内存挂接到自己的地址空间_addr = shmat(_shmid, nullptr, 0);if ((long long)_addr == -1){std::cout << "attach error" << std::endl;}}void DetachShm(){// 5、去关联地址空间if (_addr != nullptr)::shmdt(_addr);}void DeleteShm(){// 6、删除共享内存shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);}void *GetAddr(){return _addr;}void ShmMeta(){}private:int _shmid;key_t _key;void *_addr;
};ShareMemory shm;

共享内存不光可以传递字符串信息，图片、文件等结构化信息都是可以的

4 共享内存的特点

1、通信速度最快
2、让两个进程在各自的用户空间共享内存块，但是没有加任何保护机制
3、共享内存的保护机制需要用户完成保护（我们使用信号量 / 命名管道，锁我们没学），被保护的共享资源就是临界资源，访问公共资源的代码叫做临界区

5 加保护的共享内存（管道保护）

Fifo.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>const std::string gpipeFile = "./fifo";
const mode_t gfifomode = 0600; // 设置权限
const int gdefaultfd = -1;
const int gsize = 1024;
const int gForRead = O_RDONLY;
const int gForWrite = O_WRONLY;class Fifo
{void OpenFifo(int flag){_fd = open(gpipeFile.c_str(), flag);if (_fd < 0){std::cerr << "open error" << std::endl;}}public:Fifo() : _fd(-1){umask(0);int n = ::mkfifo(gpipeFile.c_str(), gfifomode); // 创建管道文件if (n < 0){std::cerr << "mkfifo error" << std::endl;}std::cout << "mkfifo success" << std::endl;}bool OpenPipeForRead(){OpenFifo(gForRead);if (_fd < 0)return false;return true;}bool OpenPipeForWrite(){OpenFifo(gForWrite);if (_fd < 0)return false;return true;}int Wait(){int code = 0;ssize_t n = ::read(_fd, &code, sizeof(code)); // 可以读1024个字节，但是我们这里以字符形式读取，最后一个得补\0if (n == sizeof(code))return 0;else if (n == 0)return 1;elsereturn 2;}void Signal(){int code = 1;::write(_fd, &code, sizeof(code));}~Fifo(){if (_fd >= 0)::close(_fd);int n = unlink(gpipeFile.c_str()); // 删除管道文件if (n < 0){std::cout << "unlink error" << std::endl;return;}std::cout << "unlink success" << std::endl;}private:int _fd;
};Fifo gpipe;

Client.cc

server.cc

6 其他IPC

6.1 system V消息队列（后序补充）

6.2 system V信号量

nsems：信号量个数
1、临界区、临界代码

2、信号和信号量没有任何关系，不要混淆，信号量生命周期随内核
3、信号量本质是一个计算器
4、资源整体使用（互斥访问，临界区串行执行），将资源分开使用（不同进程的进程可以访问共享资源，具有一定并发性），为了防止过量进程进入临界资源，我们设置一个计数器cnt（cnt代表剩余资源的数目）

5、当cnt最大值为1时，就是将资源整体使用，所谓的cnt不光起到计算器的作用，更起到了资源预定的作用
6、信号量：对资源进行预定的计数器，资源整体使用的信号量就是二元信号量（锁）

计算器cnt是int型，能在多个进程之间被看到？被修改？
---- 不能，所以使用信号量这个计数器必须解决这个问题，假如多个进程之间能看到同一个计数器，那这个计数器本身就变为了公共资源，计数器怎么保证自己的安全？信号量的操作本质上只有两种（cnt–，cnt++），只要我们将这两种类型的操作打个包，包含cnt–的操作被称为P操作，包含cnt++的操作叫做V操作，只要保证这两种操作运行时不能被别人打断（原子性）

7、信号量可以为多个，system V申请信号量，是通过信号量集的方式申请的
8、信号量的操作（p / v）

7 system v是如何实现IPC的？和滚到为什么不同？

7.1 应用角度，IPC属性

在OS层面，IPC是同类
共享内存获取属性

代码获取共享内存的属性

7.2 内核角度，看IPC结构

1、IPC资源一定是全局资源，能被所有进程看到
2、