共享内存通信效率碾压管道？System V IPC原理与性能实测

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一、共享内存的原理

二、信道的建立

1.创建共享内存

1.key的作用

2.key的选取

3.shmid的作用

4.key和shmid的区别

5.内存设定的特性

6.shmflg的设定

2.绑定共享内存

3.代码示例

三、利用共享内存通信

1.通信

2.解除绑定

3.销毁共享内存

1.命令行销毁

2.程序中销毁

四、共享内存的生命周期

五、数据安全问题

六、源码

1.comm.hpp

2.server.cc

3.client.cc

一、共享内存的原理

共享内存是通过在物理内存上开辟一块空间，然后让需要通信的进程都映射到这一块空间，这样就使它们看到同一块资源了。

共享内存通信是双向的，也就是说一个进程可以既读又写，使用起来就和C语言的malloc申请到的内存差不多。这种通信方式存在着数据安全问题，会在下文细说。

二、信道的建立

1.创建共享内存

创建共享内存使用shmget函数，它的作用是创建或获取共享内存段的系统调用。

对于shmget的使用来说，虽然操作起来相对简单，但要完全理解其各种参数的设定则较为困难。不过接下来我会进行详细讲解。

shmget声明如下：
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数key：用户设定任意一个数，用于区分不同共享内存，通常由ftok生成。
参数size：设定共享内存的大小。
参数shmflg：标志位，用于指定共享内存段的创建方式和权限。常见的标志包括：
IPC_CREAT：如果共享内存段不存在，则创建它。
IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，确保创建的共享内存段是新的。
权限标志：如 0666，表示所有用户都有读写权限。

返回值：
成功时返回共享内存段的标识符（shmid）。
失败时返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

1.key的作用

思考1：在用户层面如何让两个独立进程共享同一块内存？
思考2：在匿名管道和命名管道中，用户层面是如何让两个进程确定同一个资源的？

问题2很显然，管道的本质是文件，用户通过让两个程序打开同一个文件名来实现看到同一个资源。

因此，共享内存同样需要一个key来充当类似文件名的功能。

2.key的选取

key参数本质是一个int类型，我们可以直接指定一个数值传入，当然，为了更规范，更专业，我们通常都会使用ftok来生成。

ftok的声明如下：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
参数pathnme：一个存在的文件路径（例如 /tmp/myfile），文件必须存在，否则 ftok 会失败。
参数proj_id：一个整数，用于进一步区分不同的 IPC 对象。
返回值：

成功：返回生成的 key_t 键值。

失败：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

3.shmid的作用

shmid是一个int类型，由shmget返回，在作用上和物理意义上与文件系统中的fd类似。它的作用主要是让用户找到指定的共享内存。而它的物理意义在这里就不提了，感兴趣的话可以等我的下一篇博文（IPC系统）发布。

4.key和shmid的区别

key最终成为系统层区分不同IPC的标志，而shmid则是用户层用来区分不同IPC的标志。

5.内存设定的特性

这里的内存设定指的是shmget函数中的参数size。

当传入的内存不足4096字节（4KB）的倍数时，会扩到4096倍数。但是只会提供size大小的使用空间。这样做可以规避掉一些因为共享内存过多带来的问题。

6.shmflg的设定

对于共享内存，我们可以将程序简单分为创建端和使用端，它们的shmflg设定通常是：

创建端：IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666
使用端：IPC_CREAT

创建端要保证IPC是最新的，所以需要加IPC_EXCL，然后还需要设定权限。

使用端只需要获取共享内存段的系统调用，因此只用一个IPC_CREAT即可。

2.绑定共享内存

以上我们完成的只是共享内存的创建，接下来还需要把进程绑定到共享内存，使用函数shmat，其中at指的是单词attach。

shmat的声明：
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数shmid：传入从shmget中返回的shmid来指定共享内存。
参数shmaddr：指定共享内存段附加到进程地址空间的位置，通常设为nullptr，系统会自动选择一个合适的地址。
参数shmflg：读写方式，常用的有：
SHM_RDONLY：以只读方式附加共享内存段。
0：以读写方式附加共享内存段。

返回值：
成功时，返回共享内存段附加到进程地址空间的起始地址。
失败时，返回 (void *) -1，并设置 errno。

3.代码示例

创建端程序：

int main()
{//生成一个keyint key = ftok(".", 48);//创建共享内存int shmid = shmget(key, 4069, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);//连接到共享内存void* p = shmat(shmid,nullptr,0);//使用共享内存//... ...return 0;
}

使用端程序：

int main()
{//生成一个相同keyint key = ftok(".", 48);//获取到共享内存的系统调用int shmid = shmget(key, 4069, IPC_CREAT);//连接到共享内存void* p = shmat(shmid,nullptr,0);//使用共享内存//... ...return 0;
}

注意：为了简洁和方便说明问题，以上代码省略了头文件的包含和返回值有效性的判断等等，在实际开发中可不敢省略。

三、利用共享内存通信

1.通信

上文我们只是完成了信道的建立，接下来我们进行通信，通过上面的操作，我们已经获取到共享内存的起始地址。

它的用法与C语言的malloc申请的内存用法相同，只是共享内存可以同时被两个进程访问。

如下写端：

int main()
{int key = ftok(".", 48);int shmid = shmget(key, 4069, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);void* p = shmat(shmid,nullptr,0);//使用共享内存char* chp = (char*)p;for(int i='a';i<='z';i++){sleep(1);*chp=i;chp++;}return 0;
}

读端：

int main()
{int key = ftok(".", 48);int shmid = shmget(key, 4069, IPC_CREAT);void* p = shmat(shmid,nullptr,0);//使用共享内存char* chp = (char*)p;while(true){sleep(1);cout<<chp<<endl;}return 0;
}

注意：为了获取到同一个共享内存，我们设定的key必须一致。

2.解除绑定

如果进程退出时没有解除绑定，共享内存段仍然会保留在系统的共享内存资源中，直到显式删除（通过 shmctl 或系统重启）。

使用shmdt来解除绑定，其中dt代表单词delete。

shmdt的声明：
int shmdt(const void *shmaddr);
参数shmaddr：需要断开连接的共享内存的起始地址。

返回值：

成功：返回0。
失败：返回-1，并设置errno以指示错误原因。

一个共享内存，与它绑定的程序的个数是由一个引用计数机制进行维护的，当shmdt成功，引用计数减1。

3.销毁共享内存

共享内存不会随程序的结束而销毁，它是随内核的，因此需要显式地进行销毁，可以使用shmctl函数。或在命令行中使用指令进行销毁。

1.命令行销毁

1.1.查看共享内存信息

ipcs -m

如下：

这里解释一下nattch信息：它表示与该共享内存连接的程序个数。

1.2.销毁共享内存

ipcrm -m 2

这里需要填入shmid（即这里的2）来指定共享内存。

2.程序中销毁

在程序中销毁我们使用函数shmctl，其中ctl代表单词control。

shmctl声明如下：
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数shmid：传入从shmget返回的shmid来指定需要销毁的共享内存。
参数cmd：需要传入一个操作选项，操作选项很多，而IPC_RMID就是用来销毁共享内存的。
参数shmid_ds：这是一个输出型参数，如果你需要获取共享内存的信息，则传入一个shmid_ds类型的指针来接收，如果不是通常传入nullptr即可。
返回值：
成功时返回 0。
失败时返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

注：命令行销毁和程序中销毁效果是一样的，因为命令行销毁底层还是调用了shmctl函数。

四、共享内存的生命周期

共享内存的生命周期是不随进程的，而是随内核，如果没有显示删除它就会一直存在，尽管相关的进程已经退出。直到重装系统才得以释放。

使用shmctl释放共享内存存在的情况

1.正常释放

当nattach（引用计数）为0时，即没有进程与它绑定，被正常释放。

2.共享内存段被标记为已删除，但仍有进程附加（shmat）

共享内存段已经被标记为已删除（不能附加到新的进程），但之前仍有一些进程附加到该共享内存段并正在使用。所以共享内存段不会被立即释放。只有当所有附加的进程都调用 shmdt 分离后，系统才会释放资源。

五、数据安全问题

共享内存最大的优点就是快，相比使用管道技术，它减少了中间复杂转化和拷贝工作，而是直接对物理内存进行访问。

但它也有一个致命的缺点，相比管道技术，共享内存它的读端和写端是不带有同步机制的，这就很容易使得数据混乱，也就是造成数据不一致问题。

比如我们写端写入“hello world”，而读端读到的可能是“he”，“ll”，“o wor”，“ld”等等无法预测的奇葩数据。读端一个劲地读，不会管写端这句话是否已经说完，而且也无法知道。

当我们不了解锁的情况下想要解决这个问题，可以利用命名管道来解决，因为命名管道带有同步机制，我们用它的write和read函数来保护数据的安全，当然write和read并不用写或读什么有意义的数据。

非常感谢您能耐心读完这篇文章。倘若您从中有所收获，还望多多支持呀！

六、源码

1.comm.hpp

#pragma
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#define SIZE 1024
#define KEY_NUM 0x66
#define PATH "."
#define CREATE "create"
#define USE "user"
#define ERROR(str)   \{                \perror(str); \exit(1);     \}using namespace std;
class Shm
{
private:void Create(int flg){_shmid = shmget(_key, _size, flg);if (_shmid < 0){ERROR("shmget");}printf("shmget success id:%d\n", _shmid);}void Attach(){_start_mem = shmat(_shmid, nullptr, 0);if ((long long)_start_mem < 0){ERROR("shmat");}}void Destroy(){int m = shmdt(_start_mem);if (m < 0){ERROR("shmdt");}int n = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);if (n < 0){ERROR("shmctl");}}public:Shm(string path, int projid, string user): _shmid(-1), _size(SIZE), _usertype(user){_key = ftok(path.c_str(), projid);if (_key < 0){ERROR("ftok");}printf("ftok success id:%d\n", _key);if (_usertype == CREATE)Create(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);elseCreate(IPC_CREAT);Attach();}void *VirtualAddr(){return _start_mem;}~Shm(){Destroy();}private:int _shmid;int _size;int _key;string _usertype;void *_start_mem;
};

2.server.cc

#include"comm.hpp"
int main()
{Shm sm(PATH,KEY_NUM,CREATE);char* ps = (char*)sm.VirtualAddr();while(true){sleep(1);printf("%s\n",ps);}return 0;
}

3.client.cc

#include"comm.hpp"
int main()
{Shm sm(PATH,KEY_NUM,USE);char* ps = (char*)sm.VirtualAddr();for(char ch='0';ch<'z';ch++){sleep(1);*ps = ch;ps++;*ps='\0';}return 0;
}