银行安全传输平台（四）共享内存实现

立山 · 2025-5-2 21:16:51

媒介

共享内存是一种高效的进程间通信的方式，那么我们接下来解释共享内存在这个项目里面起到什么作用。
首先我们考虑这个项目的流程，第一步客户端发起通信请求，然后服务器担当请求天生通信密钥，加密后发送给客户端，这是密钥协商的流程。那么我们协商好了密钥之后，怎样让网点真正使用到这个密钥来加密通信内容呢，这时候就需要进程间通信了，从而引出了我们接下来要先容的共享内存。
大致流程是如许的，待服务器天生密钥之后，服务器将密钥写入共享内存（包括密钥id、服务器id等一些必要的信息）然后网点从共享内存读取协商好的密钥，就可以用这个密钥进行对称加密，从而满足我们的安全需求。
一、共享内存的使用流程

首先向内核申请一块指定大小的内存，这时候如果我们有两个进程（比方进程A和进程B）需要同行，可以用这块共享内存来完成。这两个进程分别和共享内存进行关联，拿到共享内存的地点（首地点）。接着两个进程就可以通过这个首地点对共享内存进行读或者写操纵。如果这个进程不再使用这块共享内存，那么需要断开关联，不能只退出进程，因为进程退出对共享内存没有任何影响。最后，如果我们不再使用共享内存，需要将共享内存烧毁。
二、共享内存的操纵函数

2.1 创建或打开一块共享内存区

// 创建共享内存
// 共享内存已经存在, 打开共享内存
// 可以创建多块共享内存
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数:
- key: 通过这个key记录共享内存在内核中的位置, 需要是一个>0的整数, ==0不行
随便指定一个数就可以, 后边会介绍一个函数ftok
- size: 创建共享内存的时候, 指定共享内存的大小
- 如果是打开一个已经存在的共享内存, size写0就可以
- shmflg: 创建共享内存的时候使用, 类似于open函数的flag
- IPC_CREAT: 创建共享内存
- 创建的时候需要给共享内存一个操作权限
- IPC_CREAT | 0664
- IPC_CREAT | IPC_EXCL: 检测共享内存是否存在
- 如果存在函数返回-1
- 不存在, 返回0
返回值:
成功: 创建/打开成功, 得到一个整形数 -> 对应这块共享内存
失败: -1
// 应用
// 1. 创建共享内存
int shmid = shmget(100, 4096, IPC_CREAT | 0664);
int shmid = shmget(200, 4096, IPC_CREAT | 0664);
// 2. 打开共享内存
int shmid = shmget(100, 0, 0);

复制代码

2.2 将当进步程和共享内存关联到一起

// 进程和共享内存产生关系
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数:
- shmid: 通过这个参数访问共享内存, shmget()函数的返回值
- shmaddr: 指定共享内存在内核中的位置, 写NULL -> 委托内核区指定
- shmflg: 关联成功之后对共享内存的操作权限
- SHM_RDONLY: 只读
- 0: 读写
返回值:
成功: 共享内存的地址 (起始地址)
失败: (void *) -1
// 函数调用:
void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
// 写内存
memcpy(ptr, "xxxx", len);
// 读内存
printf("%s", (char*)prt);

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2.3 将共享内存和当进步程分离

// 进程和共享内存分离 -> 二者就没有关系了
int shmdt(const void *shmaddr);
参数: 共享内存的起始地址, shmat()返回值
返回值:
- 成功: 0
- 失败: -1

复制代码

2.4 共享内存操纵 -（删除共享内存）

// fcntl
// setsockopt
// getsockopt
// 对共享内存进程操作
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数:
- shmid: 通过这个参数访问共享内存, shmget()函数的返回值
- cmd: 对共享内存的操作
- IPC_STAT: 获取共享内存的状态
- IPC_SET: 设置共享内存状态
- IPC_RMID: 标记共享内存要被销毁
- buf: 为第二个参数服务的
cmd==IPC_STAT: 获取共享内存具体状态信息
cmd==IPC_SET: 自定义共享内存状态, 设置到内核的共享内存中
cmd==IPC_RMID: 这个参数没有用了, 指定为NULL
返回值:
成功: 0
失败: -1
// 删除共享内存
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

复制代码

2.5 test

创建一块写共享内存：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int main()
{
// 1. 创建共享内存
int shmid = shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);
// 2. 和当前进程关联
void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
// 3. 写共享内存
const char* pt = "这是一块共享内存...";
memcpy(ptr, pt, strlen(pt)+1);
printf("按任意键继续\n");
getchar();
// 4. 解除关联
shmdt(ptr);
// 5. 删除共享内存
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
return 0;
}

复制代码

创建一块读共享内存：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int main()
{
// 1. open共享内存
int shmid = shmget(100, 0, 0);
// 2. 和当前进程关联
void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
// 3. read共享内存
printf("%s\n",(char*)ptr);
//const char* pt = "这是一块共享内存...";
//memcpy(ptr, pt, strlen(pt)+1);
printf("按任意键继续\n");
getchar();
// 4. 解除关联
shmdt(ptr);
// 5. 删除共享内存
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
return 0;
}

复制代码

测试结果如图：

图片上最后两个标记有点问题，就是说当key为0时，这时候时写进程退出而且这个时候标记为删除了，最后一个是排除读进程的关联。
三、在项目中的使用

项目中通过两个类实现共享内存管理：
BaseShm：基础共享内存操纵（创建、关联、释放）。
SecKeyShm：继续自 BaseShm，用于存储和查询密钥信息。
3.1 BaseShm.h

#pragma once
#include <iostream>
using namespace std;
class BaseShm
{
public:
// 通过key打开共享内存
BaseShm(int key);
// 通过传递进来的key创建/打开共享内存
BaseShm(int key, int size);
// 通过路径打开共享内存
BaseShm(string name);
// 通过路径创建/打开共享内存
BaseShm(string name, int size);
void* mapShm();
int unmapShm();
int delShm();
~BaseShm();
private:
int getShmID(key_t key, int shmSize, int flag);
private:
int m_shmID;
protected:
void* m_shmAddr = NULL;
};

复制代码

3.2 BaseShm.cpp

#include "BaseShm.h"
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
const char RandX = 'x';
BaseShm::BaseShm(int key)
{
getShmID(key, 0, 0);
}
BaseShm::BaseShm(int key, int size)
{
getShmID(key, size, IPC_CREAT | 0664);
}
BaseShm::BaseShm(string name)
{
key_t key = ftok(name.data(), RandX);
getShmID(key, 0, 0);
}
BaseShm::BaseShm(string name, int size)
{
key_t key = ftok(name.data(), RandX);
// 创建共享内存
getShmID(key, size, IPC_CREAT | 0664);
}
void * BaseShm::mapShm()
{
// 关联当前进程和共享内存
m_shmAddr = shmat(m_shmID, NULL, 0);
if (m_shmAddr == (void*)-1)
{
return NULL;
}
return m_shmAddr;
}
int BaseShm::unmapShm()
{
int ret = shmdt(m_shmAddr);
return ret;
}
int BaseShm::delShm()
{
int ret = shmctl(m_shmID, IPC_RMID, NULL);
return ret;
}
BaseShm::~BaseShm()
{
}
int BaseShm::getShmID(key_t key, int shmSize, int flag)
{
cout << "share memory size: " << shmSize << endl;
m_shmID = shmget(key, shmSize, flag);
if (m_shmID == -1)
{
// 写log日志
cout << "shmget 失败" << endl;
}
return m_shmID;
}

复制代码

3.3 SecKeyShm.h

#pragma once
#include "BaseShm.h"
#include <string.h>
#include "SeckKeyNodeInfo.h"
class SecKeyShm : public BaseShm
{
public:
SecKeyShm(int key, int maxNode);
SecKeyShm(string pathName, int maxNode);
~SecKeyShm();
void shmInit();
int shmWrite(NodeSecKeyInfo* pNodeInfo);
NodeSecKeyInfo shmRead(string clientID, string serverID);
private:
int m_maxNode;
};

复制代码

3.4 SecKeyShm.cpp

#include "SecKeyShm.h"
#include <string.h>
#include <iostream>
using namespace std;
SecKeyShm::SecKeyShm(int key, int maxNode)
: BaseShm(key, maxNode * sizeof(NodeSecKeyInfo))
, m_maxNode(maxNode)
{
}
SecKeyShm::SecKeyShm(string pathName, int maxNode)
: BaseShm(pathName, maxNode * sizeof(NodeSecKeyInfo))
, m_maxNode(maxNode)
{
}
SecKeyShm::~SecKeyShm()
{
}
void SecKeyShm::shmInit()
{
if (m_shmAddr != NULL)
{
memset(m_shmAddr, 0, m_maxNode * sizeof(NodeSecKeyInfo));
}
}
int SecKeyShm::shmWrite(NodeSecKeyInfo * pNodeInfo)
{
int ret = -1;
// 关联共享内存
NodeSecKeyInfo* pAddr = static_cast<NodeSecKeyInfo*>(mapShm());
if (pAddr == NULL)
{
return ret;
}
// 判断传入的网点密钥是否已经存在
NodeSecKeyInfo *pNode = NULL;
for (int i = 0; i < m_maxNode; i++)
{
// pNode依次指向每个节点的首地址
pNode = pAddr + i;
cout << i << endl;
cout << "clientID 比较: " << pNode->clientID << ", " << pNodeInfo->clientID << endl;
cout << "serverID 比较: " << pNode->serverID << ", " << pNodeInfo->serverID << endl;
cout << endl;
if (strcmp(pNode->clientID, pNodeInfo->clientID) == 0 &&
strcmp(pNode->serverID, pNodeInfo->serverID) == 0)
{
// 如果找到了该网点秘钥已经存在, 使用新秘钥覆盖旧的值
memcpy(pNode, pNodeInfo, sizeof(NodeSecKeyInfo));
unmapShm();
cout << "写数据成功: 原数据被覆盖!" << endl;
return 0;
}
}
// 若没有找到对应的信息, 找一个空节点将秘钥信息写入
int i = 0;
NodeSecKeyInfo tmpNodeInfo; //空结点
for (i = 0; i < m_maxNode; i++)
{
pNode = pAddr + i;
if (memcmp(&tmpNodeInfo, pNode, sizeof(NodeSecKeyInfo)) == 0)
{
ret = 0;
memcpy(pNode, pNodeInfo, sizeof(NodeSecKeyInfo));
cout << "写数据成功: 在新的节点上添加数据!" << endl;
break;
}
}
if (i == m_maxNode)
{
ret = -1;
}
unmapShm();
return ret;
}
NodeSecKeyInfo SecKeyShm::shmRead(string clientID, string serverID)
{
int ret = 0;
// 关联共享内存
NodeSecKeyInfo *pAddr = NULL;
pAddr = static_cast<NodeSecKeyInfo*>(mapShm());
if (pAddr == NULL)
{
cout << "共享内存关联失败..." << endl;
return NodeSecKeyInfo();
}
cout << "共享内存关联成功..." << endl;
//遍历网点信息
int i = 0;
NodeSecKeyInfo info;
NodeSecKeyInfo *pNode = NULL;
// 通过clientID和serverID查找节点
cout << "maxNode: " << m_maxNode << endl;
for (i = 0; i < m_maxNode; i++)
{
pNode = pAddr + i;
cout << i << endl;
cout << "clientID 比较: " << pNode->clientID << ", " << clientID.data() << endl;
cout << "serverID 比较: " << pNode->serverID << ", " << serverID.data() << endl;
if (strcmp(pNode->clientID, clientID.data()) == 0 &&
strcmp(pNode->serverID, serverID.data()) == 0)
{
// 找到的节点信息, 拷贝到传出参数
info = *pNode;
cout << "++++++++++++++" << endl;
cout << info.clientID << " , " << info.serverID << ", "
<< info.seckeyID << ", " << info.status << ", "
<< info.seckey << endl;
cout << "===============" << endl;
break;
}
}
unmapShm();
return info;
}

复制代码

这段代码重要将对称加密密钥以结构化数据（NodeSecKeyInfo）形式存入共享内存，然后通过客户端 ID和服务端 ID快速查找对应密钥，最后允许多个进程访问同一块共享内存，实现密钥数据的共享以达到进程间通信的结果。
四、一些关于共享内存的问题

操纵体系怎样知道一块共享内存被多少进程关联?
- 共享内存维护了一个结构体struct shmid_ds这个结构体中有一个成员shm_nattch
  shm_nattch中记载了关联的进程的个数
是不是可以对共享内存进行多次删除（多次调用shmctl）
- 可以多次操纵，因为shmctl函数是标记删除共享内存, 不是直接删除
什么时候被真正删除了?
- 当关联这块共享内存进程个数 == 0 的时候, 真正被删除了（shm_nattch== 0）
当共享内存的key == 0的时候
- 表明共享内存被标记删除（但是并不肯定被真正删除，可能尚有进程关联这块共享内存），当key==0时, 现在还没有没有和共享内存进程关联的进程, 就不允许进行关联了，现在只为已经关联乐成的进程服务。如果被标记删除的进程都取消关联，此时才说明共享内存真正被删除。

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