文章目录
- 共享内存
-
- 共享内存的原理
- 共享内存相关函数和系统调用--systemV
- 共享内存相关函数和系统调用--POSIX
-
- [shm_open-- 创建或打开共享内存对象](#shm_open-- 创建或打开共享内存对象)
- [ftruncate - 设置共享内存大小](#ftruncate - 设置共享内存大小)
- [mmap - 内存映射](#mmap - 内存映射)
- [munmap - 解除内存映射](#munmap - 解除内存映射)
- [shm_unlink - 删除共享内存对象](#shm_unlink - 删除共享内存对象)
- close-关闭文件描述符
- 完整使用流程
- 常见错误处理
- 深刻理解共享内存
- 共享内存的特点
共享内存
共享内存的原理
就是使用系统调用开辟一块物理内存，这块物理内存就是共享内存
然后把它的起始地址通过进程的页表，与要通信的进程的共享区建立映射关系
最后，一个进程向自己的共享区中的共享内存读，一个进程向自己的共享区中的共享内存写，就可以实现进程间通信了
以后不再使用共享内存时，就直接把进程页表里面的映射关系去掉，也就是去关联
再把struct vm_area_struct链表里面的节点释放
至于共享内存，它的生命周期随内核，即如果用户不使用系统调用释放它，直到操作系统关机之前它会一直存在
共享内存可以同时在物理内存中存在很多份
而且某一个共享内存正在被那些进程使用，某个共享内存什么时候释放等等问题
操作系统都要知道
所以操作系统也要对所有的共享内存进行管理
所以要对共享内存，先描述再组织
所以
共享内存=共享内存的内核数据结构+共享内存对应的物理内存块
共享内存相关函数和系统调用--systemV
系统调用：shmget
头文件：sys/ipc.h和sys/shm.h
返回值：
①成功就返回一个共享内存标识符[shmid]
②失败返回-1
参数：
①key_t key：唯一标识共享内存
②size_t size：共享内存的大小
③int shmflag：int类型的位图标志位
-
.
IPC_CREAT：单独使用的话如果对应的共享内存不存在，就创建。存在就返回shmid
该选项主要给获取共享内存的进程使用 -
IPC_EXCL：不能单独使用但是
IPC_CREAT | IPC_EXCL：
如果对应的共享内存不存在，就创建并在页表建立映射关系存在就报错
该选项主要给创建共享内存的进程使用
3.共享内存的权限，也是rwx，用4个8进制位表示（例：0666）
共享内存创建的时候必须指定权限！！！
不然直接报错，根本用不了
作用：创建一块共享内存
系统调用：shmctl
头文件：sys/shm.h和sys/ipc.h
返回值：
①成功，返回共享内存的key
②失败，返回-1
参数表：
①int shmid：共享内存描述符
②int cmd：位图标志位
IPC_RMID：释放共享内存
③struct shmid_ds*bf：输出型参数，可以把共享内存的相关属性带出来
作用：
根据cmd标志位的不同，对共享内存进行不同操作
系统调用：shmat
头文件：sys/shm.h和sys/types.h
返回值：void*
①成功，返回共享内存的起始地址（类似malloc的返回值）
②失败，返回（viod*）-1
参数表：
①int shmid：共享内存描述符
②const void*shmaddr：用户指定的虚拟起始地址[不过我们一般不用，所有一般是nullptr]
③int shmflag：位图标志位，表示共享内存的读写等权限（我们一般也不管，因为共享内存基本是用来通信的，所以设置成0就行）
作用：
把指定的共享内存挂接到进程地址空间中
系统调用：shmdt
头文件：sys/shm.h和sys/types.h
返回值：int
①成功，
②失败，返回-1
参数表：
const void *shmaddr：共享内存的虚拟起始地址（也就是shmat的返回值）
作用：
把共享内存从当前进程的共享区中去掉，也就是去除页表映射
系统调用：ftok
头文件：sys/types.h和sys/ipc.h
返回值：
①成功，返回共享内存的key
②失败，返回-1
参数表：
①cosnt char*name：带路径的项目文件名
②int id：项目id
参数①和参数②都是用户自己随便设置
作用：使用参数1和参数2并结合一定算法，求出一个key返回
共享内存相关函数和系统调用--POSIX
相较于传统的 System V 共享内存，POSIX 共享内存接口更简洁且符合现代编程习惯
而且，POSIX 共享内存是基于文件描述符的
shm_open-- 创建或打开共享内存对象
c
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);-
作用：创建或打开一个共享内存对象（类似文件操作）
-
参数 ：
name：共享内存对象名称，必须以/开头 （如/my_shm）oflag：标志位
如O_CREAT | O_RDWR：如果对应的共享内存不存在，就创建。存在就返回shmid
O_RDONLY：获取共享内存mode：权限位（如0666）
-
返回值 ：成功返回文件描述符（fd），失败返回
-1 -
示例 ：
cint fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_RDWR, 0666); 创建共享内存
ftruncate - 设置共享内存大小
c
#include <unistd.h>
int ftruncate(int fd, off_t length);- 作用：调整共享内存对象的大小（必须调用，否则无法映射）
- 参数 ：
fd：shm_open返回的文件描述符length：共享内存大小（字节）
mmap - 内存映射
c
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);-
作用：将共享内存映射到进程的虚拟地址空间
-
参数 ：
addr：映射起始地址（通常设为NULL，由内核选择）length：映射长度（应与ftruncate设置的一致）prot：保护模式（如PROT_READ | PROT_WRITE）flags：映射标志（MAP_SHARED用于共享内存）fd：shm_open返回的文件描述符offset：偏移量（通常为0）
-
返回值 ：成功返回映射后的内存地址，失败返回
MAP_FAILED -
示例 ：
cchar *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
munmap - 解除内存映射
c
#include <sys/mman.h>
int munmap(void *addr, size_t length);- 作用：解除内存映射，释放进程内的虚拟内存关联
- 参数 ：
addr：mmap返回的地址length：映射长度
shm_unlink - 删除共享内存对象
c
#include <sys/mman.h>
int shm_unlink(const char *name);-
作用 ：删除共享内存对象（类似
unlink文件） -
参数 ：
name：共享内存对象名称（与shm_open一致）
-
示例 ：
cshm_unlink("/my_shm");
close-关闭文件描述符
c
#include <unistd.h>
int close(int fd);-
作用 ：关闭
shm_open返回的文件描述符（解除进程与共享内存的关联）。 -
示例 ：
cclose(fd);
完整使用流程
创建/写入进程
c
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
// 1. 创建共享内存对象
int fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
if (fd == -1) { perror("shm_open"); return 1; }
// 2. 设置共享内存大小
if (ftruncate(fd, 4096) { perror("ftruncate"); return 1; }
// 3. 映射到进程地址空间
char *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (ptr == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return 1; }
// 4. 写入数据
strcpy(ptr, "Hello from Process A!");
// 5. 解除映射（可选，进程退出时自动解除）
munmap(ptr, 4096);
close(fd);
return 0;
}读取进程
c
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
// 1. 打开共享内存对象
int fd = shm_open("/my_shm", O_RDONLY, 0);
if (fd == -1) { perror("shm_open"); return 1; }
// 2. 映射到进程地址空间
char *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
if (ptr == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return 1; }
// 3. 读取数据
printf("Received: %s\n", ptr);
// 4. 清理资源
munmap(ptr, 4096);
close(fd);
shm_unlink("/my_shm"); // 由最后一个使用进程删除
return 0;
}常见错误处理
| 错误场景 | 处理方法 |
|---|---|
shm_open 失败 |
检查名称格式（是否以 / 开头）、权限是否足够 |
ftruncate 失败 |
确保文件描述符有效且有写入权限 |
mmap 失败 |
检查 length 是否与 ftruncate 设置一致 |
深刻理解共享内存
共享内存和命名管道一样，需要一个进程使用系统调用先行创建
共享内存也有和文件一样有拥有者所属组rwx权限，而且也是使用3个8进制表示
共享内存如果不指定权限，创建之后默认权限为000，即啥都干不了
systemV共享内存的key是由用户自己提供的
为什么要用户提供key，而不是内核自己维护？
因为物理内存中的共享内存不止一块
假设物理内存中一共3块共享内存，分别为共享内存1，2，3
进程A又创建了一块共享内存，是共享内存4
但是进程B想和进程A通信，进程B调用shmget的时候，得先知道进程A创建的共享内存是哪一块呀！是共享内存1，2还是3？
所以只能通过共享头文件把key告诉进程B
由操作系统自己维护的话，进程B调用shmget的时候，操作系统怎么知道该给进程B那块共享内存？
更何况要与它通信的进程可能都还没创建出来
为什用户提供的key，两个要通信的进程都能看到呢？
因为用户是通过：
①创建一个共享头文件，在两个进程编译之前，就在头文件里面定义了项目路径和项目id
②要通信的进程只需要在编译链接的时候都包含头文件，就可以看到相同的项目路径和项目id，运行的时候传给ftok就可以获得同一个key了
用户设置的key冲突了怎么办？
如果与已经存在的共享内存的key冲突了
就只能由程序员自己手动修改源代码
但是
用户设置的key一般也不是随便设置的
而是通过ftok函数生成，所以冲突的概率其实很低
如果使用ftok函数生成的key还冲突了，就只能由用户手动修改共享头文件中保存的项目id或者项目路径了
共享内存的生命周期
共享内存的生命周期随内核，即如果用户不使用系统调用释放它，直到操作系统关机之前它会一直存在
所以进程使用系统调用创建了共享内存，就必须再使用系统调用释放共享内存
不然就会内存泄露
共享内存的key和shmid的区别
①shmid：是只给用户[用户的进程]操作共享内存提供的唯一标识符
②key：是只给操作系统内核操作共享内存的唯一标识符
操作系统对物理内存进行任何操作时，都是以固定大小（一般是4kb）为基本单位进行操作的
如果用户申请的物理内存不是4kb的整数倍（比如用户申请了5kb），那么操作系统依然会以4kb的整数倍给用户（即给用户8kb的物理内存）但是会以类似权限的方式，让用户看不到，用不了那多出来的空间（即用户确实只能使用8-3=5kb的空间）
因为操作系统不想背锅，用户让操作系统干嘛操作系统就干嘛
共享内存的特点
共享内存是最快的进程间通信的形式了
-
因为一旦共享内存区形成，进程使用共享内存就和使用自己进程地址空间的堆区内存一样了
不再涉及操作系统内核，也就是进程通信时，不需要使用系统调用 -
因为拷贝次数少
管道通信时，从外设来的数据要拷贝到进程的地址空间中
要使用write把用户进程地址空间（栈区/堆区等）中的数据拷贝到内核文件缓冲区
再使用read拷贝到进程B的进程地址空间中，再拷贝到外设
需要4次拷贝而共享内存通信
只需要把外设来的数据拷贝到共享区中的共享内存，进程B就直接可以通过页表看见这个数据了，不需要再拷贝了
最后再拷贝到外设
只需要2次拷贝
使用共享内存需要我们自己进行同步互斥
通过共享内存的原理我们可以知道
共享内存是真正地让两个进程共用同一份资源（内存块），并且它没有对共享内存做任何类似管道的保护机制
要对共享内存中的共享资源进行保护，就会有数据不一致问题
得由用户（进程）自己手动保护[利用信号量，条件变量]