Linux——进程间通信（system V共享内存）

system V共享内存

[system V共享内存](#system V共享内存)
- 概念
- [System V 共享内存的定义方式](#System V 共享内存的定义方式)
- 函数详解
- [System V 共享内存的本质](#System V 共享内存的本质)
- [System V 共享内存与匿名管道的不同](#System V 共享内存与匿名管道的不同)
- [System V 共享内存的原理与底层解读](#System V 共享内存的原理与底层解读)
- 分步操作案例
- 通信案例

system V共享内存

概念

System V 共享内存是一种进程间通信（IPC）机制，允许多个进程共享同一块内存区域。与管道不同，共享内存不涉及内核缓冲区，而是直接映射到进程的地址空间，因此速度非常快。

System V 共享内存的定义方式

（1）在代码中创建共享内存

在 C 代码中，可以使用以下系统调用来操作共享内存：

shmget()：创建或获取共享内存段。
shmat()：将共享内存段附加到进程的地址空间。
shmdt()：将共享内存段从进程的地址空间分离。
shmctl()：控制共享内存段（如删除）。

函数详解

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（1）ftok()

生成一个唯一的键值，用于标识共享内存段。

函数模型：

c 复制代码

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

参数：

pathname：文件路径名（必须存在且可访问）。
proj_id：项目 ID（通常为一个字符）。

返回值：

成功：返回生成的键值。
失败：返回 -1。

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 (2) shmget()

创建或获取共享内存段。

函数模型：

c 复制代码

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数：

key：共享内存段的键值（通常由 ftok() 生成）。
size：共享内存段的大小（以字节为单位）。
shmflg：标志位，通常为权限模式（如 0666）与 IPC_CREAT 的组合。

返回值：

成功：返回共享内存段的标识符（shmid）。
失败：返回 -1。

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（3）shmat()

将共享内存段附加到进程的地址空间。

函数模型：

c 复制代码

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数：

shmid：共享内存段的标识符。
shmaddr：指定附加地址（通常为 NULL，由系统自动选择）。
shmflg：标志位（通常为 0）。

返回值：

成功：返回共享内存段的起始地址。
失败：返回 (void*) -1。

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（4）shmdt()

将共享内存段从进程的地址空间分离。

函数模型：

c 复制代码

int shmdt(const void *shmaddr);

参数：

shmaddr：共享内存段的起始地址（由 shmat() 返回）。

返回值：

成功：返回 0。
失败：返回 -1。

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（5）shmctl()

控制共享内存段（如删除）。

函数模型：

c 复制代码

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数：

shmid：共享内存段的标识符。
cmd：控制命令（如 IPC_RMID 用于删除）。
buf：指向 struct shmid_ds 的指针（通常为 NULL）。

返回值：

成功：返回 0。
失败：返回 -1。

System V 共享内存的本质

（1）内核中的共享内存段

共享内存段是内核中的一块内存区域，由内核分配和管理。

每个共享内存段有一个唯一的标识符（shmid）。

（2）进程地址空间映射

进程通过 shmat() 将共享内存段映射到自己的地址空间。

映射后，进程可以直接访问共享内存中的数据。

（3）同步机制

共享内存本身不提供同步机制，需要结合信号量或互斥锁来避免竞争条件。

System V 共享内存与匿名管道的不同

特性	System V 共享内存	管道（Pipe）
通信方式	直接共享内存区域	通过内核缓冲区传递数据
速度	非常快，无需内核介入	较慢，涉及内核缓冲区拷贝
同步机制	需要额外同步机制（如信号量）	无需额外同步机制
进程关系	可用于无亲缘关系的进程	仅用于具有亲缘关系的进程
生命周期	持久存在，直到显式删除	随进程结束而销毁
使用场景	大数据量、高性能要求的通信	小数据量、简单通信
通信方向	双向	单向
缓冲区大小	由用户指定	通常为 64KB
内核实现	通过 `struct shmid_kernel` 管理	通过 `pipe_inode_info` 管理
适用性	适用于无亲缘关系的进程	适用于有亲缘关系的进程
删除方式	使用 `shmctl()` 显式删除	随进程结束自动销毁

System V 共享内存的原理与底层解读

（1）内核数据结构

共享内存段在内核中通过 struct shmid_kernel 管理。

每个共享内存段包含以下信息：

唯一标识符（shmid）。
内存大小。
附加的进程数。
权限信息。

（2）内存映射

进程通过 shmat() 将共享内存段映射到自己的地址空间。

映射后，进程可以直接读写共享内存。

（3）同步机制

共享内存本身不提供同步机制，需要结合信号量或互斥锁来避免竞争条件。

分步操作案例

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以下是一个完整的案例，分为 创建、挂载 和 销毁 三个部分。

（1）创建共享内存段

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main() {
    // 生成唯一键值
    key_t key = ftok("shmfile", 65);
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 创建共享内存段
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    printf("Shared memory created with ID: %d\n", shmid);
    return 0;
}

（2）挂载共享内存段并写入数据

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 生成唯一键值
    key_t key = ftok("shmfile", 65);
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 获取共享内存段
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    // 挂载共享内存段
    char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);
    if (str == (char*) -1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    // 写入数据到共享内存
    printf("Writer: Enter data to write: ");
    fgets(str, 1024, stdin);
    printf("Writer: Data written to shared memory: %s\n", str);

    // 分离共享内存段
    if (shmdt(str) == -1) {
        perror("shmdt");
        return 1;
    }

    return 0;
}

（3）挂载共享内存段并读取数据，最后销毁

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main() {
    // 生成唯一键值
    key_t key = ftok("shmfile", 65);
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 获取共享内存段
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    // 挂载共享内存段
    char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);
    if (str == (char*) -1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    // 读取数据
    printf("Reader: Data read from shared memory: %s\n", str);

    // 分离共享内存段
    if (shmdt(str) == -1) {
        perror("shmdt");
        return 1;
    }

    // 销毁共享内存段
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("shmctl");
        return 1;
    }

    printf("Shared memory destroyed.\n");
    return 0;
    }

通信案例

（1）写入进程（writer.c）

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 65); // 生成唯一键值
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT); // 创建共享内存段
    char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0); // 附加共享内存段

    printf("Writer: Enter data to write: ");
    fgets(str, 1024, stdin); // 写入数据到共享内存

    printf("Writer: Data written to shared memory: %s\n", str);
    shmdt(str); // 分离共享内存段
    return 0;
}

（2）读取进程（reader.c）

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 65); // 生成唯一键值
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT); // 获取共享内存段
    char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0); // 附加共享内存段

    printf("Reader: Data read from shared memory: %s\n", str);
    shmdt(str); // 分离共享内存段
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 删除共享内存段
    return 0;
}