Linux 进程间通信：共享内存详解

一、通信方式回顾

在理解共享内存之前，先回顾三种通信方式：

通信方式	特点	举例
单工	单向，方向固定	广播、电视
半双工	双向，同一时刻只能一方发	对讲机、管道
全双工	双向，同一时刻双方可互发	电话、共享内存

共享内存是全双工通信------双方可以同时读写（需自行处理同步，通常配合信号量使用）。

常见 IPC（进程间通信）方式：管道、共享内存、消息队列、信号量、套接字。

共享内存是效率最高的 IPC 方式，因为数据不需要在内核态和用户态之间拷贝。

二、shmget - 创建/获取共享内存

cpp 复制代码

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

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

参数说明

参数	含义	取值
`key`	共享内存唯一标识	`IPC_PRIVATE`(私有) 或 `ftok()` 生成
`size`	共享内存大小（字节）	创建时填正整数，获取已有填 `0`
`shmflg`	标志位 + 权限	`IPC_CREAT`、`IPC_EXCL`、权限位（如 `0666`）

shmflg 标志位

标志	作用
`IPC_CREAT`	如果 key 不存在则创建
`IPC_EXCL`	与 `IPC_CREAT` 配合，key 已存在则报错
`0666`	权限（rw-rw-rw-）

返回值

成功：返回共享内存标识符（正数）
失败：返回 -1 ，设置 errno

不同场景的 shmget 调用

场景	代码	说明
创建新共享内存	`shmget(key, 1024, IPC_CREAT	0666)`
创建（独占）	`shmget(key, 1024, IPC_CREAT	IPC_EXCL
获取已有	`shmget(key, 0, 0)`	size 填 0，flags 填 0

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// 示例：创建 1024 字节的共享内存
int shmid = shmget(1234, 1024, IPC_CREAT | 0666);
if (shmid == -1) {
    perror("shmget");
    exit(1);
}

三、shmat - 映射共享内存到进程地址空间

创建的共享内存需要映射到进程的地址空间才能使用。

cpp 复制代码

#include <sys/shm.h>

void* shmat(int shm_id, const void* shm_addr, int shmflg);

参数说明

参数	含义	取值
`shm_id`	共享内存标识符	`shmget()` 的返回值
`shm_addr`	附加地址	`NULL`（系统自动选择）或指定地址
`shmflg`	附加标志	`0`（读写）、`SHM_RDONLY`（只读）

shmflg 标志

标志	作用
`0`	默认，可读写
`SHM_RDONLY`	只读，写入会段错误
`SHM_EXEC`	允许执行代码

返回值

成功：返回映射后的地址指针
失败：返回 (void*)-1

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// 示例：映射共享内存
char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
if (shmaddr == (void*)-1) {
    perror("shmat");
    exit(1);
}
// 现在可以像普通内存一样读写
strcpy(shmaddr, "Hello");

四、shmdt - 分离共享内存

分离操作不会删除共享内存，只是解除进程与共享内存的映射关系。

cpp 复制代码

#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void* shm_addr);

参数	含义
`shm_addr`	`shmat()` 返回的地址

返回值

成功：返回 0
失败：返回 -1

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// 示例：分离共享内存
if (shmdt(shmaddr) == -1) {
    perror("shmdt");
    exit(1);
}

注意：进程退出时会自动分离，但显式调用是良好习惯。

五、shmctl - 删除/控制共享内存

cpp 复制代码

#include <sys/shm.h>

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

常用 cmd

cmd	作用
`IPC_RMID`	删除共享内存
`IPC_STAT`	获取共享内存状态
`IPC_SET`	设置共享内存属性

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// 示例：删除共享内存
if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
    perror("shmctl");
    exit(1);
}

六、完整示例：两个进程通信

需求

写进程 ：持续向共享内存写入数据，输入 end 则退出
读进程：持续读取共享内存的数据并打印，写进程退出后自动结束

写进程（write.c）

cpp 复制代码

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

int main() {
    key_t key = 1234;
    int shmid;
    char* shmaddr;
    
    // 1. 创建共享内存
    shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }
    
    // 2. 映射共享内存
    shmaddr = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (void*)-1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }
    
    // 3. 写入数据
    char buf[256];
    while (1) {
        printf("请输入：");
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        buf[strcspn(buf, "\n")] = '\0';  // 去掉换行符
        
        strcpy(shmaddr, buf);
        
        if (strcmp(buf, "end") == 0) {
            break;
        }
    }
    
    // 4. 分离共享内存
    shmdt(shmaddr);
    
    // 5. 删除共享内存（由写进程负责删除）
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    
    return 0;
}

读进程（read.c）

cpp 复制代码

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

int main() {
    key_t key = 1234;
    int shmid;
    char* shmaddr;
    char last[256] = "";
    
    // 1. 获取已存在的共享内存
    shmid = shmget(key, 0, 0);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }
    
    // 2. 映射共享内存
    shmaddr = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (void*)-1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }
    
    // 3. 持续读取数据
    while (1) {
        if (strcmp(shmaddr, last) != 0) {
            printf("读取到：%s\n", shmaddr);
            strcpy(last, shmaddr);
            
            if (strcmp(shmaddr, "end") == 0) {
                break;
            }
        }
        usleep(100000);  // 睡眠 0.1 秒，避免忙等待
    }
    
    // 4. 分离共享内存
    shmdt(shmaddr);
    
    return 0;
}

编译运行

bash 复制代码

# 编译
gcc write.c -o write
gcc read.c -o read

# 终端1：运行读进程
./read

# 终端2：运行写进程
./write

# 写进程输入数据，读进程会实时显示
# 输入 end 后，写进程退出，读进程也随之退出

七、常用命令

命令	作用
`ipcs -m`	查看系统中的共享内存
`ipcrm -m <shmid>`	删除指定的共享内存

bash 复制代码

# 查看所有共享内存
ipcs -m

# 删除共享内存（如果程序没删干净）
ipcrm -m 12345

八、共享内存 vs 管道

对比项	管道	共享内存
通信方向	半双工	全双工
数据拷贝	有（内核态↔用户态）	无（直接访问）
速度	慢	快（最快 IPC）
同步机制	内核自动阻塞	需自行处理（如信号量）
使用场景	简单数据流	大量数据、频繁通信

九、注意事项

注意事项	说明
同步问题	共享内存本身无同步机制，多进程同时读写需配合信号量
资源释放	写进程负责 `shmctl(IPC_RMID)` 删除，否则内存泄漏
key 冲突	多个进程使用相同的 key 才能共享同一块内存
权限控制	`shmflg` 中设置权限，如 `0666`
分离 vs 删除	`shmdt` 只解除映射，`shmctl(IPC_RMID)` 才真正删除

十、总结

知识点	核心要点
共享内存特点	全双工、无数据拷贝、效率最高
shmget	创建/获取共享内存，返回 shmid
shmat	映射到进程地址空间，返回指针
shmdt	分离共享内存（不删除）
shmctl	删除/控制共享内存
key 标识	多个进程用相同 key 共享同一块内存
同步问题	需自行处理（信号量），内核不负责
资源释放	必须调用 `shmctl(IPC_RMID)` 删除