浅学进程间通信2(共享内存&信号量)

共享内存(Shared Memory)

Linux 共享内存（System V SHM / POSIX SHM）并不是"基于某个磁盘文件系统"，而是基于内核自己实现的 tmpfs文件系统 。具体位置：

POSIX 共享内存

挂载点：/dev/shm

文件系统类型：tmpfs（内核 2.4 以后固定挂载，用户不可见磁盘后备）。

System V 共享内存（shmget/shmat 系列）

内核同样把每个段放在匿名的 tmpfs 页上，通过 shm_mnt 这一内部挂载点（用户不可见）管理；用户空间看到的 /proc/sysvipc/shm 只是只读接口，真正的页在 tmpfs 中。

因此，答案一句话：

Linux 共享内存基于内核内置的 tmpfs 文件系统，对用户可见的部分挂在 /dev/shm。

补充：

tmpfs 的页可以被 swap，因此严格说不是"纯物理内存"，但一定不占用任何磁盘块。
从内核源码角度看，无论是 mm/shmem.c（POSIX）还是 ipc/shm.c（System V），最终都调用 shmem 层的接口，而 shmem 就是 tmpfs 的实现。共享内存是一种高效的进程间通信方式，不同编程语言提供了不同级别的API支持：

C/C++ 封装的共享内存API

1. POSIX 共享内存（Linux/Unix）

arduino 复制代码

#include <sys/mman.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
// 主要函数： 
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode); // 创建/打开 
int ftruncate(int fd, off_t length); // 设置大小 
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); // 映射 
int munmap(void *addr, size_t length); // 取消映射 
int shm_unlink(const char *name); // 删除

示例：

ini 复制代码

// 创建共享内存
int fd = shm_open("/myshm", O_CREAT | O_RDWR, 0666); 
ftruncate(fd, SIZE); 
char *ptr = mmap(NULL, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

2. System V 共享内存（Unix/Linux 平台通用）

arduino 复制代码

#include <sys/shm.h> 
// 主要函数： 
key:唯一标识新创建的共享内存 
size:共享内存的大小，向上取整成PAGE_SIZE的倍数 
shmflg:一些标志信息. 
    IPC_CREAT:根据key判断对应的内存段是否存在，如果不存在,则创建；如果存在，则返回已经存在的共享内存段 
    IPC_EXCL: 和IPC_CREAT一起用，如果已经存在key对应的共享内存则失败 
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); // 创建/获取(返回根据key生成的shmid) shmat------》映射共享内存到进程的虚拟地址空间，返回映射的虚拟内存段的起始地址 

shmid:共享内存的唯一标识id, shmget返回值。 
shmaddr:内存映射起始地址，如果是NULL的话，内核会帮你分配。 
shmflg:是一组标志位，通常为0 
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); // 映射共享内存 shmdt------》解除映射，如果成功返回0，否则返回-1 shmaddr:内存映射起始地址 

int shmdt(const void *shmaddr); // 解除共享内存映射 

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

Java 封装的共享内存API

1. Java NIO - MappedByteBuffer

java 复制代码

import java.io.RandomAccessFile; 
import java.nio.MappedByteBuffer; 
import java.nio.channels.FileChannel; 

// 创建内存映射文件 
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("file.dat", "rw"); 
FileChannel channel = file.getChannel(); 

// 映射到内存
MappedByteBuffer buffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024); 

// 读写操作 
buffer.put(0, (byte) 42); 
byte value = buffer.get(0);

数据安全问题

在一个"进程"内，多个线程同时更新共享资源，有数据并发安全问题，解决方式如下：

原子操作
锁机制__管理
信号量 (并发编程)

多个进程同时更新共享内存(共享资源)，也有数据安全问题，解决方式如下：

IPC的信号量 (semaphore)

IPC的信号量

原理思想和【操作系统: 并发编程】中的信号量是一样的, IPC的信号量把共享内存看成临界区，但是二者具体实现完全不一样。

IPC的信号量实现非常复杂，在内核态中实现。用于多个进程之间
并发编程的信号量是在用户态实现，基于原子操作实现。用于同一个进程的多个线程之间

下图，展示了进程A, 进程B都对共享内存做写操作，信号量在其中的重要作用，保证临界区"共享内存"同一时间只有一个进程在操作

1.System V ipc 信号量

c 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/sem.h> 

获取 或 创建 一个信号量集 
key:唯一标识新创建的信号量集 
nsems:信号量集中的 信号量 的 数量 
semflg: 一些标志信息 
    IPC_CREAT:根据key判断对应的共享内存段是否存在，如果不存在则创建，如果存在则返回已经存在的共享内存段 
    IPC_EXCL: 和IPC_CREAT一起用，如果已经存在key对应的共享内存则失败 
int semget(key_t key, int nsems, int semflg) 

信号量的控制操作 
semid: 唯一标识新创建的信号量集 
semnum: 信号量集中 的 第几个信号量(你要对 哪个 信号量 做控制操作) cmd: 设置信号量方式 
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .....) 

信号量操作 
semid: 唯一标识新创建的信号量集 
sops: 对指定信号量执行的一组操作 
nsops: sops的个数 
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)