进程间通信(命名管道共享内存)

文章目录

命名管道
- 原理
- 命令创建命名管道
- 函数创建命名管道
共享内存
- 原理
- shmget
- - FIOK
- 代码应用：
- - prems
  - nattch

命名管道

用于两个毫无关系的进程间的通信。

原理

Linux文件的路径是多叉树，故文件的路径是唯一的。
让内核缓冲区不用刷新到磁盘中，一旦刷新就拖慢了操作系统。所以磁盘中有个特殊文件，在内存中写入不会刷新到磁盘，让两个进程在内存中通信，该文件叫做命名管道。(命名：有路径就有名字；管道：用于内存通信)
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命令创建命名管道

可以直接使用系统命令创建命名管道
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p打头的文件就是管道文件

echo是进程，cat也是进程。两个进程基于管道实现了通信。写入的时候，管道的大小依旧为0。

函数创建命名管道

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返回值：成功返回0，失败返回-1

删除指定路径的文件：unlink

返回值：成功返回0，失败返回-1

代码如下：
client.cc 负责写:

#include "namedPipe.hpp"// client write
int main()
{NamePiped fifo(comm_path, User);if (fifo.OpenForWrite()){std::cout << "client open namd pipe done" << std::endl;while (true){std::cout << "Please Enter > ";std::string message;getline(std::cin, message);fifo.WriteNamedpipe(message);}}return 0;
}

namePipe.hpp:

#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cerrno>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>const std::string comm_path = "./myfifo";//管道的名字
#define DefaultFd -1
#define Creater 1
#define User 2
#define Read O_RDONLY
#define Write O_WRONLY
#define BaseSize 4096//一次读多少字节class NamePiped
{
private:bool OpenNamedPipe(int mode)//权限{_fd = open(comm_path.c_str(),mode);if(_fd < 0)return false;return true;}
public:NamePiped(const std::string &path, int who) : _fifo_path(path), _id(who),_fd(DefaultFd){if (_id == Creater){int res = mkfifo(_fifo_path.c_str(), 0666);if (res != 0){perror("mkfifo");}std::cout << "Creater creat Named pipe" << std::endl;}}bool OpenForRead(){return OpenNamedPipe(Read);}bool OpenForWrite(){return OpenNamedPipe(Write);}int ReadNamedpipe(std::string *out){char buffer[BaseSize];int n = read(_fd,buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){buffer[n] = 0;*out = buffer;}return n;}int WriteNamedpipe(const std::string &in){return write(_fd,in.c_str(),in.size());}~NamePiped(){if (_id == Creater){sleep(5);int res = unlink(_fifo_path.c_str());if (res != 0){perror("unlink");}std::cout << "Creater free Named pipe" << std::endl;}if(_fd != DefaultFd) close(_fd);}private:const std::string _fifo_path;  //管道路径int _id;  //身份(user/creater)int _fd;  //文件描述符
};

server.cc 读端：

#include "namedPipe.hpp"// server read:管理命名管道的生命周期(创建与删除)
int main()
{NamePiped fifo(comm_path, Creater);if(fifo.OpenForRead()){std::cout << "server open named pipe done" << std::endl;while (true){std::string message;int res = fifo.ReadNamedpipe(&message);if (res > 0)//读内容{std::cout << "Client send >" << message << std::endl;}else if(res == 0)//写端关闭{std::cout << "Client quit" << std::endl;break;}else//出错{std::cout << "fifo.ReadNamedpipe default" << std::endl;break;}}}return 0;
}

运行：
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光运行./server(读端)，不运行写端会创建出管道，但读没有打印出server open named pipe done。说明没有打开管道。

然后运行了./client(写端)才会打开管道。说明对于读端而言，如果我们打开文件，但还没有写端，就会阻塞在open调用中，直到对方打开。简称进程同步。
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相反如果读端关闭，写端还在写，写端就会收到SIGPIPE信号，让写端进程直接退出

共享内存

匿名管道和命名管道就是复用文件的代码。
有人从零开始写本地通信方案的代码：System V IPC 有三种方式通信
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因为只能本地通信，且和文件的整合度不高，所以目前这种方案已经快被淘汰了。

原理

假设A进程在物理内存中创建一段内存空间，然后在A进程的地址空间中的共享区申请一片空间，再把虚拟地址与共享内存的映射关系填入页表。拥有映射关系后就可以往创建的内存中写入。B进程的虚拟地址也通过页表与创建的内存映射。这样进程A与进程B看到同一块资源，上面的技术叫做共享内存。
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补充：
1.以上操作都是由操作系统做的，所以操作系统肯定提供给用户系统调用了。
2.AB进程通信，CD进程也要通信，所以共享进程在系统中可以存在很多份，且功能也不一样。操作系统就要对共享内存做管理！先描述，再组织。类似struct Shm的结构体。
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综上所述：共享内存 = 共享内存空间(数据) + 共享内存属性

shmget

创建共享内存的函数调用：IPC_CREAT用于获取；IPC_CREAT | IPC_EXCL用于创建。
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key比较特殊，是标识共享内存的唯一性字段，用于寻找共享空间。

综上：用户设置key值，AB两个进程就能看见同一块共享空间。
key值是给用户看的，后面会说shmid是给操作系统看的，所以操作系统不创建key值。
但是又不建议用户自己设置key，容易冲突，就给用户提供了函数ftok，由一些算法形成的随机数。

FIOK

同一个pathname，同一个proj_id，就能由算法形成同一个key。
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返回值：成功后返回的是key的值；失败后返回-1

代码应用：

先验证共享内存的几个特性：
共享内存，不随着进程的结束释放。
Shm.hpp

#ifndef __SHM_HPP__
#define __SHM_HPP__#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <cerrno>#define gShmSize 4096const std::string gpathname = "/root/test/shm";
const int gproj_id = 0x66;std::string ToHex(key_t k)
{char buffer[128];snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%x",k);return buffer;
}key_t GetCommKey(const std::string pathname, int proj_id)
{key_t res = ftok(pathname.c_str(), proj_id);if (res < 0){perror("create ftok failing");}return res;
}int GetShm(int key)
{int shmid = shmget(key,gShmSize,IPC_CREAT | IPC_EXCL);if(shmid < 0){perror("shmget fail");}return shmid;
}#endif

server.cc

#include "Shm.hpp"int main()
{key_t k = GetCommKey(gpathname,gproj_id);std::cout << "key: " << ToHex(k) << std::endl;int shmid = GetShm(k);std::cout << "shmid:" << shmid << std::endl;return 0;
}

运行两次，发现第二次并没有创建，并显示已经存在，说明共享内存并没有像子进程一样运行完就被父进程或系统回收。
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把创建共享内存改成获取共享内存：

int GetShm(int key)
{int shmid = shmget(key,gShmSize,IPC_CREAT);if(shmid < 0){perror("shmget fail");}return shmid;
}

发现获取的话可以一直获取。
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如果不释放共享内存，就会一直存在，生命周期随内核。
查共享内存：

ipcs -m

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key：属于用户形成，内核使用的一个字段，用户不能使用key来进行shm管理。
shmid：内核给用户返回的一个标识符，用来进行用户级对共享内存进行管理的id值。
删共享内存用命令shmid删除:

ipcrm -m [shmid]

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也可以用操作系统提供的函数：shmctl删除。cmd删除是IPC_RMID，就是位图。

返回值：移植成功，返回0；失败，返回-1

综上所述：创建共享内存，使用后删除的代码就能写出来了：

#ifndef __SHM_HPP__
#define __SHM_HPP__#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>#define gCreater 1
#define gUser 2
#define gShmSize 4096const std::string gpathname = "/root/test/shm";
const int gproj_id = 0x66;class Shm
{
private:key_t GetCommKey(){key_t key = ftok(_pathname.c_str(), _proj_id);if (key < 0){perror("create ftok failing");}return key;}int GetShmHelper(key_t key, int size, int flag){int shmid = shmget(key, size, flag);if (shmid < 0){perror("shmget fail");}return shmid;}public:Shm(const std::string pathname, const int proj_id, int who): _pathname(pathname), _proj_id(proj_id), _who(who){_key = GetCommKey();if (_who == gCreater){CreaterGetShmid();}else if (_who == gUser){UserGetShmid();}std::cout << "shmid: " << _shmid << std::endl;std::cout << "key: " << ToHex(_key) << std::endl;}~Shm(){if (_who == gCreater){int res = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);if (res < 0)std::cout << "shmctl fail " << std::endl;elsestd::cout << "shmid remove done " << std::endl;}}std::string ToHex(key_t k){char buffer[128];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", k);return buffer;}bool CreaterGetShmid(){if (_who == gCreater){_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT | IPC_EXCL);sleep(10); //为了创建完看见删除的效果if (_shmid > 0)return true;}std::cout << "Create shmid succeed" << std::endl;return false;}bool UserGetShmid(){if (_who == gUser){_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT);if (_shmid > 0)return true;}std::cout << "Get shmid succeed" << std::endl;return false;}private:key_t _key;int _shmid;int _who;const std::string _pathname;const int _proj_id;
};#endif

创建出共享内存后10秒钟后删除
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prems

perms是共享内存的权限：如果创建的时候，加上权限，perms的值会更改。

bool CreaterGetShmid(){if (_who == gCreater){_shmid = GetShmHelper(_key, gShmSize, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (_shmid > 0)return true;}std::cout << "Create shmid succeed" << std::endl;return false;}

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nattch

nattch是该共享内存挂接的数量。
挂接的函数：shmat(at有attach的意思)
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返回值：一旦挂接成功，返回地址空间中共享内存的起始地址。(跟malloc返回值类似)
挂接代码：

std::string RoleToString(int who){if (who == gCreater)return "Creater";else if (who == gUser)return "gUser";elsereturn "None";}// 挂接void *AttachShm(){void *shmaddr = shmat(_shmid, nullptr, 0);if (shmaddr == nullptr){perror("shmat");}std::cout << "who: " << RoleToString(_who) << " attach shm..." << std::endl;return shmaddr;}

一个进程挂接上了为1，两个进程挂接上了为2。
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去掉进程与共享内存的关联的函数：shmdt

代码如下：

void DetachShm(void *shmaddr){if(shmaddr == nullptr) return;shmdt(shmaddr);std::cout << "who: " << RoleToString(_who) << " detach shm..." << std::endl;}

效果：0-》1-》0
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上面都是准备工作：下面开始通信。
只运行读端：
现象：发现不等写端写入，读端一直在读。

读端和写端都运行：
现象：写端2秒写一次，读端1秒读1次，数据就有重复。(相比较通道读完数据就没有了)
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读端和写端都运行，然后把写端关闭后再次运行写端：
现象：读端重新读取

综上所述：与管道不一样，共享内存不提供保护机制。
缺点：会造成数据不一致问题(在纸上写字，写一半被别人拿走了)
优点：共享内存收所有进程IPC，速度最快的。因为共享内存大大减少了数据的拷贝次数。
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