Linux进程通信---3---System V 共享内存

Howrun7772025-12-31 9:12

System V 共享内存（Shared Memory）

System V 共享内存是内核在物理内存中划出的一块连续内存区域 ，允许多个进程将该区域映射到自身的虚拟地址空间中。进程对这块内存的读写操作完全等同于本地内存（无需系统调用 / 数据拷贝），是所有 IPC 机制中速度最快的（"零拷贝" 特性）。其核心价值是解决 "大量数据在进程间传输" 的性能问题，但本身无内置同步机制，需配合信号量等工具实现互斥 / 同步。

核心功能

  • 最快的 IPC 机制：内核开辟一块连续的内存区域，映射到多个进程的虚拟地址空间(共享区)，进程直接读写该内存（无需内核中转）；
  • 无数据拷贝（其他 IPC 需多次拷贝：用户态→内核态→用户态），性能极致；
  • 无同步机制：需配合信号量 / 互斥锁防止 "读写冲突"（如进程 A 写时进程 B 读）。

核心特征：

特性 说明
零拷贝 数据直接在进程虚拟地址空间读写，无read()/write()的拷贝开销（相比管道 / 消息队列的 2 次拷贝）
内核持久化 内存段存在于内核中，进程退出后不消失，需显式删除
无内置同步 共享内存无锁 / 阻塞机制，需配合信号量 / 互斥锁避免 "竞态条件"
地址独立 不同进程映射到的虚拟地址不同，但指向同一块物理内存
大小对齐 内存大小按系统页大小（通常 4KB）对齐，不足一页按一页分配

与其他 IPC 机制的性能对比

IPC 机制 数据拷贝次数 核心开销 适用场景 性能排序
System V 共享内存 0 次 仅内存映射 / 同步开销 大量数据、高性能需求的通信 1
System V 消息队列 2 次（用户→内核→用户） 系统调用 + 拷贝开销 结构化、带类型的小数据通信 2
命名管道（FIFO） 2 次 系统调用 + 拷贝开销 简单流式数据通信 3
匿名管道 2 次 系统调用 + 拷贝开销 亲缘进程临时通信 3

问题：同步依赖

共享内存的 "零拷贝" 优势也带来了风险：多个进程可同时读写同一块内存 ，若没有同步机制，会出现 "一个进程写了一半，另一个进程就读取" 的 "竞态条件"（数据错乱）。因此，共享内存必须配合信号量 （System V/POSIX）或互斥锁使用，实现 "临界区独占访问"。

使用流程

  1. 用 ftok() 生成唯一键值；
  2. 创建内存段 ：进程调用shmget()，内核在物理内存中分配一块连续区域，初始化shmid_ds；
  3. 映射到进程空间 ：进程调用shmat()，内核修改该进程的页表，将虚拟地址映射到共享物理内存；
  4. 进程读写：进程直接通过虚拟地址读写物理内存，数据对所有映射的进程立即可见；
  5. 解除映射 ：进程调用shmdt()，内核修改页表，解除虚拟地址与物理内存的关联；
  6. 删除内存段 ：最后一个进程解除映射后，调用shmctl(IPC_RMID)，内核释放物理内存。

关键：多个进程的虚拟地址不同，但页表指向同一块物理内存，因此修改对所有进程可见。

函数解释:

所有操作需包含以下头文件：

cpp 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

1. ftok ()：生成 IPC 唯一键值

将「文件路径」和「项目 ID」转换为key_t类型的整数键值，用于标识 System V IPC 对象（共享内存、消息队列、信号量）。不同进程使用相同的路径和项目 ID，可生成相同的键值，从而访问同一个 IPC 对象。

cpp 复制代码 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
参数 说明
pathname 必须是存在且可访问 的文件路径（如/tmp/test），文件仅作为标识，无需读写。
proj_id 项目标识（低 8 位有效，通常取 1-255），仅用于区分同一文件下的不同 IPC 对象。
返回值
  • 成功：返回唯一的key_t类型整数（通常是 int 别名）；
  • 失败：返回-1，并设置errno（如ENOENT路径不存在、EACCES权限不足）。
注意事项
  • 若文件被删除后重建，即使路径和 ID 相同，生成的键值也会变化；
  • 若无需跨进程共享，可直接用IPC_PRIVATE替代 ftok 生成的键值（仅当前进程 / 子进程可用）。

2. shmget ()：创建 / 获取共享内存段

在内核中创建或获取共享内存段，返回唯一的shmid（共享内存标识符），内核会为每个共享内存段维护一个shmid_ds结构体（存储大小、权限、映射数等信息）。

cpp 复制代码 
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数 说明
key ftok 生成的键值，或IPC_PRIVATE（创建私有共享内存）。
size 共享内存大小（字节）：- 创建时：必须指定（按系统页大小 4K 对齐，不足则向上取整）；- 获取时：设为 0。
shmflg 标志位（按位或组合）：- IPC_CREAT：不存在则创建，存在则获取；- IPC_EXCL：与IPC_CREAT联用，若已存在则失败（确保创建新段）；- 权限位：如0664（同文件权限，八进制）。
返回值
  • 成功：返回非负整数shmid（共享内存标识符）；
  • 失败：返回-1，设置errno（如EEXIST已存在、ENOMEM内存不足、EINVALsize 无效）。
注意事项
  • 共享内存创建后，即使创建进程退出，也会一直存在于内核，直到被shmctl删除或系统重启；
  • 权限位需与后续shmat的读写权限匹配（如SHM_RDONLY需 shmget 设置读权限）。

3. shmat ()：映射共享内存到进程地址空间

将内核中的共享内存段附加（映射） 到进程的虚拟地址空间，返回映射后的地址，进程可直接读写该地址（等同于操作普通内存）。

cpp 复制代码 
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数 说明
shmid shmget 返回的共享内存标识符。
shmaddr 指定映射到进程的虚拟地址：- 设NULL（推荐）：由系统自动分配；- 非 NULL：需对齐页大小，通常不推荐。
shmflg 映射标志：- 0：默认，读写权限；- SHM_RDONLY：只读权限（需 shmget 设置读权限）。
返回值
  • 成功：返回映射后的虚拟地址（void*）；
  • 失败：返回(void*)-1，设置errno（如EINVALshmid 无效、EACCES权限不足）。
注意事项
  • 多个进程可映射同一个共享内存段，读写操作直接同步；
  • 映射后进程退出，共享内存不会自动删除，仅解除映射。

4. shmdt ()：解除共享内存映射

将共享内存段与进程的虚拟地址空间分离（解除映射），仅断开关联，不删除内核中的共享内存。

cpp 复制代码 
int shmdt(const void *shmaddr);
参数 说明
shmaddr shmat 返回的映射地址。
返回值
  • 成功：返回0；
  • 失败：返回-1，设置errno（如EINVAL地址不是映射地址）。
注意事项
  • 解除映射后，进程不可再访问该地址，否则触发段错误；
  • 若所有进程都解除映射，共享内存仍存在于内核，需shmctl主动删除。

5. shmctl ()：控制共享内存段（核心：删除）

System V 共享内存的控制接口，支持获取状态、设置属性、删除共享内存 （最常用IPC_RMID命令）。

cpp 复制代码 
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数 说明
shmid shmget 返回的共享内存标识符。
cmd 操作命令（核心）：- IPC_STAT：读取共享内存状态，存入buf；- IPC_SET：修改共享内存属性（从buf读取）；- IPC_RMID：删除共享内存段（内核释放资源）。
buf struct shmid_ds结构体指针：- IPC_STAT/IPC_SET：存储 / 读取状态；- IPC_RMID：设NULL即可。
核心结构体（简化版）
cpp 复制代码 
struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;  // 权限结构体（含所有者、权限位等）
    size_t shm_segsz;          // 共享内存大小（字节）
    pid_t shm_lpid;            // 最后操作的进程ID
    pid_t shm_cpid;            // 创建进程ID
    shmatt_t shm_nattch;       // 当前映射的进程数
    time_t shm_atime;          // 最后映射时间
    time_t shm_dtime;          // 最后解除映射时间
};
返回值
  • 成功：返回0（IPC_STAT/IPC_SET/IPC_RMID）；
  • 失败：返回-1，设置errno（如EINVALshmid 无效、EPERM权限不足）。
注意事项
  • 执行IPC_RMID后，内核标记共享内存为「待删除」：- 若仍有进程映射，新进程无法再映射该段；- 当所有进程解除映射后，内核才真正释放资源；
  • 普通用户仅能删除自己创建的共享内存，root 可删除所有。

完整示例（创建→写入→读取→删除）

1. 写进程（shm_write.c）

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>      // 提供printf、perror等输入输出函数
#include <stdlib.h>     // 提供exit()退出函数（进程出错时终止）
#include <string.h>     // 提供strncpy字符串拷贝函数
#include <sys/ipc.h>    // 提供ftok()函数（生成IPC键值）
#include <sys/shm.h>    // 提供shmget/shmat/shmdt/shmctl等共享内存核心函数
#include <unistd.h>     // 提供getchar()（等待用户输入）、系统调用基础功能

// 2. 宏定义：把固定值抽出来，方便修改和理解
#define PATHNAME "/tmp/shm_test"  // ftok需要的文件路径（必须存在！小白要先touch这个文件）
#define PROJ_ID 100               // 项目ID（仅低8位有效，随便设1-255之间的数即可）
#define SHM_SIZE 4096             // 共享内存大小（字节），4096是系统页大小（对齐要求，不能随便设小）

int main() {
    // -------------------------- 步骤1：生成唯一的IPC键值 --------------------------
    // key_t是专门存IPC键值的类型（本质是整数）
    // ftok作用：把"文件路径+项目ID"转换成唯一整数，让读写进程能找到同一个共享内存
    key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
    // 检查ftok是否失败（返回-1就是失败）
    if (key == -1) {
        // perror：自动打印"xxx failed: 具体错误原因"（比如文件不存在会提示No such file）
        perror("ftok failed");
        exit(1);  // 1表示异常退出（0是正常退出），终止进程
    }

    // -------------------------- 步骤2：创建共享内存段 --------------------------
    // shmget作用：向内核申请一块共享内存，返回"共享内存ID（shmid）"（类似文件句柄）
    // 参数1：ftok生成的键值（标识共享内存）
    // 参数2：共享内存大小（必须是系统页大小的整数倍，4096是最常用的）
    // 参数3：标志位组合（IPC_CREAT=创建新的 | IPC_EXCL=如果已存在则报错 | 0664=权限，和文件权限一样）
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664);
    // 检查shmget是否失败（比如内存不足、键值已存在）
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget failed");
        exit(1);
    }
    // 打印shmid，方便调试（比如用ipcs -m命令查看时能对应上）
    printf("共享内存ID（shmid）：%d\n", shmid);

    // -------------------------- 步骤3：把共享内存映射到进程地址空间 --------------------------
    // shmat作用：把内核里的共享内存，"挂到"当前进程的内存地址上，进程才能直接读写
    // 参数1：shmget返回的共享内存ID
    // 参数2：指定映射的地址（设NULL让系统自动分配，小白千万别改）
    // 参数3：映射权限（0=读写，SHM_RDONLY=只读）
    // 返回值：映射后的内存地址（进程直接操作这个地址就等于操作共享内存）
    char *shm_addr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    // 检查映射是否失败（返回(void*)-1就是失败，注意强制类型转换）
    if (shm_addr == (void *)-1) {
        perror("shmat failed");
        exit(1);
    }

    // -------------------------- 步骤4：向共享内存写入数据 --------------------------
    // 要写入的字符串（小白注意：C语言字符串末尾有个隐藏的'\0'，表示结束）
    const char *msg = "Hello, Shared Memory!";
    // strncpy：把msg拷贝到共享内存地址shm_addr
    // 第三个参数：strlen(msg)+1 是为了把末尾的'\0'也拷贝过去（否则读的时候会乱码）
    strncpy(shm_addr, msg, strlen(msg) + 1);
    // 打印写入的内容，确认写成功
    printf("已向共享内存写入：%s\n", shm_addr);

    // -------------------------- 等待读进程读取数据 --------------------------
    // 暂停进程，等用户按回车再继续（给读进程留时间读取，否则写进程直接删了共享内存，读进程就读不到了）
    printf("请按回车键继续（此时可以启动读进程读取数据）...\n");
    getchar();  // 阻塞等待用户输入回车

    // -------------------------- 步骤5：解除共享内存映射 --------------------------
    // shmdt作用：把共享内存和当前进程"解绑"（进程不再能访问这个地址，但共享内存还在内核里）
    // 参数：shmat返回的映射地址
    if (shmdt(shm_addr) == -1) {
        perror("shmdt failed");
        exit(1);
    }

    // -------------------------- 步骤6：删除共享内存（释放内核资源） --------------------------
    // shmctl作用：控制共享内存（这里用IPC_RMID命令删除）
    // 参数1：共享内存ID
    // 参数2：操作命令（IPC_RMID=删除共享内存）
    // 参数3：共享内存的状态结构体（删除时设NULL即可）
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("shmctl failed");
        exit(1);
    }

    // 正常退出进程（0表示无错误）
    return 0;
}

2. 读进程（shm_read.c）

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>

#define PATHNAME "/tmp/shm_test"
#define PROJ_ID 100
#define SHM_SIZE 4096

int main() {
    // 1. 生成相同键值
    key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
    if (key == -1) {
        perror("ftok failed");
        exit(1);
    }

    // 2. 获取已存在的共享内存（size设0，仅获取）
    int shmid = shmget(key, 0, 0);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget failed");
        exit(1);
    }
    printf("shmid: %d\n", shmid);

    // 3. 映射（只读权限）
    char *shm_addr = (char *)shmat(shmid, NULL, SHM_RDONLY);
    if (shm_addr == (void *)-1) {
        perror("shmat failed");
        exit(1);
    }

    // 4. 读取数据
    printf("Read from shm: %s\n", shm_addr);

    // 5. 解除映射
    if (shmdt(shm_addr) == -1) {
        perror("shmdt failed");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

编译与运行

bash 复制代码 
# 先创建标识文件
touch /tmp/shm_test

# 编译
gcc shm_write.c -o shm_write
gcc shm_read.c -o shm_read

# 先运行写进程
./shm_write
# 再新开终端运行读进程
./shm_read

常用辅助命令

命令 说明
ipcs -m 查看所有共享内存段
ipcrm -m <shmid> 命令行删除指定共享内存
cat /proc/sys/kernel/shmmax 查看共享内存最大限制

内核为每个共享内存段维护关键元数据结构 struct shmid_ds（类似文件的inode）：

cpp 复制代码 
struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;  // 权限信息（UID/GID、访问权限）
    size_t          shm_segsz; // 共享内存段大小（字节，按页对齐）
    pid_t           shm_lpid;  // 最后操作的进程ID
    pid_t           shm_cpid;  // 创建进程ID
    shmatt_t        shm_nattch;// 当前映射该段的进程数
    time_t          shm_atime; // 最后映射时间
    time_t          shm_dtime; // 最后解除映射时间
    time_t          shm_ctime; // 最后修改时间
};

关键注意事项

1 同步是必选项

共享内存无任何内置同步机制，多个进程同时读写会导致数据错乱（如写进程写了一半，读进程就读取）。必须配合：

  • System V/POSIX 信号量（互斥 / 同步）；
  • 互斥锁（pthread_mutex_t）；
  • 自定义标志（如共享内存中加 "是否写入完成" 的标记）。

2 内存大小与对齐

  • shmget()的size参数会按系统页大小（通常 4KB）对齐，例如申请 100 字节，内核实际分配 4096 字节；
  • 建议按页大小申请（如 4096、8192），避免内存浪费。

3 资源泄漏问题

  • 共享内存段是内核资源，进程退出（即使异常）不会自动删除，仅解除映射（shmdt）；
  • 未调用shmctl(IPC_RMID)会导致内存段永久占用内核资源，直到系统重启；
  • 解决：确保至少一个进程执行IPC_RMID，或通过ipcrm -m <shmid>手动删除。

4 权限与访问控制

  • shmget()的shmflg需设置正确权限（如0666），否则其他进程无法映射 / 读写；
  • 若进程 UID/GID 不匹配，会返回EACCES错误，需检查权限设置。

5 进程异常退出处理

  • 进程异常退出时，内核会自动解除其共享内存映射（shmdt），但内存段仍存在；
  • 信号量需设置SEM_UNDO，避免进程异常退出导致死锁。

System V 共享内存 vs POSIX 共享内存

特性 System V 共享内存 POSIX 共享内存（mmap+shm_open）
标识方式 键值（key）+ 标识符（shmid） 文件系统路径（/dev/shm/xxx）
持久化 内核持久化（需显式删除） 文件系统持久化（需 unlink）
接口复杂度 较低（5 个核心函数） 较高（mmap/shm_open/ftruncate）
跨进程可见性 需 ftok 生成 key 路径可见，更易管理
大小调整 创建时固定 可通过 ftruncate 动态调整
现代支持 传统接口，维护中 现代接口，推荐使用

总结

  1. System V 共享内存是性能最高的 IPC 机制，核心是 "内核物理内存映射到进程虚拟地址空间"，实现零拷贝数据共享；
  2. 核心操作流程：ftok()生成键值 → shmget()创建 / 获取段 → shmat()映射到进程空间 → 读写数据 → shmdt()解除映射 → shmctl(IPC_RMID)删除段；
  3. 关键要点：
    • 必须配合信号量 / 互斥锁实现同步，避免竞态条件；
    • 内存大小按页对齐，按需申请避免浪费；
    • 用完必须调用shmctl(IPC_RMID)，防止内核资源泄漏；
  4. 现代开发中，POSIX 共享内存（shm_open+mmap）更易管理，但 System V 共享内存仍是传统高性能 IPC 的核心选择。
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