【进程间通信】——共享内存基础

一、基于共享内存的动态库

1.1 源码

头文件shared_memory.h内容如下，通过结构体SharedData定义了传输的消息类型，注意后续因为要设置传输消息类型的内存大小，需要用到sizeof()计算内存大小，因此最好把要传输的数据放到结构体中，便于计算。

// shared_memory.h
#ifndef SHARED_MEMORY_H
#define SHARED_MEMORY_H

#include <cstdint>

typedef uint8_t uint8;
typedef uint16_t uint16;

struct SharedData {
    uint8 data;
    uint16 len;
};

void create_shared_memory();
void destroy_shared_memory();
SharedData* get_shared_data();

#endif // SHARED_MEMORY_H

函数定义文件shared_memory.cpp主要包含创建内存空间、销毁内存空间、返回内存空间的地址。

// shared_memory.cpp
// g++ -shared -fPIC shared_memory.cpp -o libshared_memory.so

#include "shared_memory.h"
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>

const char* SHM_NAME = "/shared_memory_example";
int shm_fd = -1;
SharedData* shared_data_ptr = nullptr;

void create_shared_memory() {
    shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        std::cerr << "Failed to create shared memory." << std::endl;
        return;
    }

    if (ftruncate(shm_fd, sizeof(SharedData)) == -1) {
        std::cerr << "Failed to set shared memory size." << std::endl;
        return;
    }

    shared_data_ptr = static_cast<SharedData*>(mmap(nullptr, sizeof(SharedData), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0));
    if (shared_data_ptr == MAP_FAILED) {
        std::cerr << "Failed to map shared memory." << std::endl;
        return;
    }
}

void destroy_shared_memory() {
    if (shared_data_ptr) {
        munmap(shared_data_ptr, sizeof(SharedData));
    }

    if (shm_fd != -1) {
        close(shm_fd);
        shm_unlink(SHM_NAME);
    }
}

SharedData* get_shared_data() {
    return shared_data_ptr;
}

1.2 编译命令

g++ -shared -fPIC shared_memory.cpp -o libshared_memory.so

注意其它程序要动态链接该库，需要添加动态库寻找的路径：
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.

最后的.代表动态库处于当前目录。

1.3 函数解释

1.3.1 shm_open()函数

shm_open是一个POSIX共享内存API的函数，用于创建或打开一个命名的共享内存对象。这个函数的原型如下：
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

参数：

name：共享内存对象的名称，通常以一个斜杠（/）开头。
oflag：打开或创建共享内存对象的标志，如O_CREAT（创建）、O_RDWR（读写模式）等。
mode：设置共享内存对象的权限，如S_IRUSR（用户读权限）和S_IWUSR（用户写权限）等。
返回值：成功时返回一个非负整数的文件描述符，失败时返回-1。

1.3.2 ftruncate()函数

ftruncate函数用于调整文件大小，通常用于设置共享内存对象的大小。这个函数的原型如下：
int ftruncate(int fd, off_t length);

参数：

fd：文件描述符，通常是shm_open函数的返回值。
length：文件的新大小。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

1.3.3 mmap()函数

mmap函数用于将一个文件或共享内存对象映射到进程的虚拟地址空间。这个函数的原型如下：
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

参数：

addr：建议的映射起始地址，通常设置为NULL，让系统自动选择。
length：映射区域的大小。
prot：映射区域的保护属性，如PROT_READ（可读）、PROT_WRITE（可写）等。
flags：映射类型，如MAP_SHARED（共享映射）或MAP_PRIVATE（私有映射）等。
fd：文件描述符，通常是shm_open函数的返回值。
offset：文件偏移量。
返回值：成功时返回映射区域的起始地址，失败时返回MAP_FAILED。

1.3.4 munmap()函数

munmap函数用于解除进程虚拟地址空间的映射。这个函数的原型如下：
int munmap(void *addr, size_t length);

参数：

addr：映射区域的起始地址。
length：映射区域的大小。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

1.3.5 shm_unlink()函数

shm_unlink函数用于删除一个命名的共享内存对象。当共享内存对象的引用计数降至0时，它会被系统释放。这个函数的原型如下：

int shm_unlink(const char *name);

参数：

name：共享内存对象的名称，通常与shm_open函数中使用的相同。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

1.3.6 close()函数

close函数用于关闭一个文件描述符。这个函数的原型如下：

int close(int fd);

参数：

fd：要关闭的文件描述符。
返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

二、sender.cpp

2.1 源码

// sender.cpp
// g++ sender.cpp -o sender -L. -lshared_memory -lrt
// export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.
#include "shared_memory.h"
#include <iostream>

int main() {
    create_shared_memory();
    SharedData* shared_data = get_shared_data();

    if (shared_data) {
        shared_data->data = 42;
        shared_data->len = 16;
        std::cout << "Set shared data: " << static_cast<int>(shared_data->data) << ", " << shared_data->len << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Failed to access shared memory." << std::endl;
    }
    char ch = 0;
    ch = getchar();
    destroy_shared_memory();
    return 0;
}

2.2 编译运行命令

编译：
g++ sender.cpp -o sender -L. -lshared_memory -lrt

运行：
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.
./sender

注意运行该文件时，需要export命令添加共享内存动态库的路径。

2.3 源码解释

sender通过create_shared_memory()函数创建了共享内存，其中共享内存的名称已经在动态库中设置为全局变量:
const char* SHM_NAME = "/shared_memory_example";

接着通过get_shared_data()函数获取该名称对应的共享内存地址(每个共享内存的名称对应的地址是唯一的)。

接着对该共享内存中的数据成员进行赋值操作。

        shared_data->data = 42;
        shared_data->len = 16;

由于需要等待receiver读取共享内存后才能进行销毁，因此这里通过getchar()函数阻塞进程，保持进程存活，待receiver读取后，在send中输入回车按键即可退出。

三、receiver.cpp

3.1 源码

// receiver.cpp
// g++ receiver.cpp -o receiver -L. -lshared_memory -lrt
// export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.
#include "shared_memory.h"
#include <iostream>

int main() {
    create_shared_memory();
    SharedData* shared_data = get_shared_data();

    if (shared_data) {
        std::cout << "Received shared data: " << static_cast<int>(shared_data->data) << ", " << shared_data->len << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Failed to access shared memory." << std::endl;
    }

    destroy_shared_memory();
    return 0;
}

3.2 编译运行命令

编译：
g++ receiver.cpp -o receiver -L. -lshared_memory -lrt

运行：
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:.
./receiver