System V 进程间通信详解：共享内存、消息队列与信号量（CSDN博客）

一文吃透 Linux 进程间通信之 System V：共享内存、消息队列与信号量

本文基于本人学习 Linux 系统编程时整理的 System V IPC 笔记（共享内存 / 消息队列 / 信号量），从"为什么这样设计"的角度梳理一遍，并附上代码示例。适合正在学习 Linux 进程间通信的同学阅读。

一、为什么会有 System V？

在 System V 出现之前，Linux 下的进程间通信主要靠匿名管道 和命名管道。但仔细想想会发现：

匿名管道、命名管道本质上都是基于文件 + 内核的改良，多少有点"程序员偷懒、复用代码"的味道；
管道的数据要经历多次拷贝，效率不高；
它们没有一套"正规"的、由操作系统统一管理的通信原语。

于是，操作系统专门设计了一套正规的进程间通信方案------System V IPC。它包含三种方式：

共享内存（Shared Memory） ------ 最重要、最快
消息队列（Message Queue） ------ 已经过时
信号量（Semaphore） ------ 用于同步与互斥

要注意的一点是：System V 的这三种方式都属于本地通信。到了数据时代，跨主机的通信就要靠网络通信（socket 等）了，这是后话。

另外还有一个重要特性：

System V IPC 资源的生命周期是随内核的！ 不像管道随进程，进程退出了管道就没了；而共享内存、消息队列、信号量创建之后，如果不主动删除（或重启系统），它们会一直存在。

二、共享内存的原理

进程间通信的本质，是让不同的进程看到同一块资源。

管道：让不同进程看到同一个文件缓冲区；
共享内存：让不同进程的虚拟地址空间，映射到同一块物理内存。

具体过程是这样的：

由操作系统在物理内存中开辟一块空间；
通过页表，把这块物理内存分别映射到通信双方的进程地址空间的共享区；
两个进程各自拿到一个起始虚拟地址，直接读写即可------这就是所谓的挂接（attach）。

几个关键细节：

进程为了保证独立性，不能自己创建共享内存 。进程的私有属性和数据都是独享的（就算是动态库映射的只读段，也是进程私有的），所以规则上必须由操作系统来创建和管理局部共享的这块内存------就像 file 是属于操作系统的一样。
共享内存的虚拟地址位于进程地址空间的共享区。
共享内存不会涉及写时拷贝（Copy-On-Write），只有数据段才有写时拷贝------这也是它快的根本原因：一旦挂接成功，读写就是纯内存访问，没有任何系统调用和数据拷贝。
系统里一定会存在很多共享内存（你在通信，别人也在通信），所以内核必然要用一个 struct 数据结构来管理它们：谁创建的、权限是什么、什么时候创建的、引用计数......这些属性数据和共享内存本身同等重要（实际上就是 shmid_ds 结构体和 shm_perm 子结构）。

三、key 与 shmid：为什么要设计两层？

这是学习共享内存时最容易困惑的问题。既然 shmget 返回 shmid，为什么还要用户传一个 key？

3.1 为什么 key 要由用户来传？

回忆一下 fd 的玩法：fd 是内核直接分配返回给进程的。但共享内存这里行不通：

假如 A 进程创建共享内存后，系统把"键值"返回给 A，那 B 进程怎么拿到这个键值？ 如果系统有办法把键值传给 B，那这不就已经完成进程间通信了吗？------但通信的前提（共享资源）还没建立，前后矛盾。
所以，key 必须由通信双方自己提前约定 。这和命名管道里"提前约定一个路径"的思路完全一样：使用同一种算法（通常是 ftok()），双方各自算出同一个 key。

3.2 key 和 shmid 各自的角色

	key	shmid
谁产生的	用户约定（ftok 算法生成）	操作系统分配
作用	标识唯一性、实现跨进程性	进程内部操作共享内存的"句柄"，类似 fd
跨机器	同一算法可复现	不同机器上执行，返回值一般不一样

key 是实现共享的核心桥梁。一旦通过 key 找到了对应的共享内存、拿到了 shmid，key 的使命就完成了。
操作系统内部维护着一张 shmid 表（用数组/哈希索引管理）。shmid 必须由操作系统分配，不能随机指定------数组空间就那么大，key 太长（保密性好）也不能直接当数组下标用，所以需要"key → shmid"这层映射。这个关系可以类比：fd 与 inode 的间接关系（fd → file → dentry → inode）。

3.3 IPC 资源的命名规则

System V 的资源管理有一套统一的命名习惯，ipcs / ipcrm 命令也是如此：

shm = shm ared memory（共享内存）
sem = semaphore（信号量）
msg = msgueue（消息队列）

对应的常用命令：

bash 复制代码

ipcs -m        # 查看系统中的共享内存
ipcs -s        # 查看系统中的信号量
ipcs -q        # 查看系统中的消息队列

ipcrm -m shmid # 按 shmid 删除共享内存
ipcrm -M key   # 按 key 删除共享内存

注意：ipcs 查到的共享内存，只能通过 ipcrm -m <shmid>（或 -M <key>）来删除。

四、共享内存的四个核心接口

共享内存总共就 4 个接口，逻辑非常清晰：创建 → 挂接 → 去挂接 → 控制（删除）。

4.1 创建：shmget()

c 复制代码

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

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

key：通信双方提前约定好的"钥匙"，只用于标识唯一性（跨进程查找的依据）；
size ：共享内存大小，建议是 4096（4KB）的整数倍（按页对齐）；
shmflg ：创建/获取方式 + 权限位。两个重要选项：
- IPC_CREAT：不存在就创建，存在就获取------总能拿到一个共享内存；
- IPC_CREAT | IPC_EXCL：不存在则创建，存在则报错------保证拿到的是全新的。为什么要这个选项？因为系统里可能存在别人留下的旧共享内存，必须确保拿到的是自己新建的。
- 权限位必须设置（如 0666），不写权限的话，OS 可能不让你挂接上去！

典型用法：

c 复制代码

key_t key = ftok(".", 0x66);   // 双方用相同的路径和 proj_id 算出同一个 key
// 服务端：保证新建
int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
// 客户端：只获取
int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666);

成功返回 shmid（类似 fd 的标记符），失败返回 -1。

4.2 挂接：shmat()

shmget 只是创建（或找到了）物理内存，还没有虚拟地址 。所以这里做了一个漂亮的解耦：创建是一回事，映射到进程地址空间是另一回事。

c 复制代码

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

第一个参数：只要传共享内存的 shmid 就行；
第二个参数：指定的起始虚拟地址，一般传 nullptr（NULL），表示让内核随机选择；
第三个参数：挂接权限，一般传 0。

返回值是当前进程内这块共享内存的起始虚拟地址 ------所以它非常像 malloc()！之后就可以用 类型 + 偏移 的方式直接读写真实数据了。

注意：挂接是要看权限的 。如果创建时没给权限位（perms 显示读写全无），挂上去毫无意义，shmat 会直接失败。

4.3 去挂接：shmdt()

c 复制代码

int shmdt(const void *shmaddr);

把当前进程与共享内存的关联去掉，参数是 shmat 的返回值。它只是减少引用计数 ，并不会删除共享内存。除了显式调用 shmdt，进程结束也会自动减少引用计数。

4.4 控制：shmctl() ------ "打上删除标记"

c 复制代码

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

这是控制函数，cmd 决定执行什么操作（如 IPC_STAT 获取属性）。删除只是它的一种操作方式，而且严格来说不是"立刻删除"，而是打上删除标记（IPC_RMID） ，buf 一般传 nullptr。

删除一个共享内存需要同时满足两个条件：

已被 shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr) 打上删除标记；
挂接引用计数为 0 （引用计数减少的途径：① shmdt 去挂接；② 相关联的进程结束）。

没有挂接的时候打上删除标记，才是真正删除；如果还有进程挂着，删除会推迟到最后一个进程去挂接之后。这套"标记 + 引用计数"的延迟删除设计，在操作系统里非常常见（比如文件的 dentry/inode 引用计数也是类似思路）。

五、共享内存的特性：最快，但要自己加锁

把上面串起来，一次典型的客户端-服务端通信流程是：

复制代码

服务端                        客户端
ftok 算 key    ──约定key──▶   ftok 算 key
shmget(新建)   ◀──查找────    shmget(获取)
shmat 挂接                   shmat 挂接
读写共享内存 ─────直接看到同一块物理内存───── 读写共享内存
shmdt 脱离                   shmdt 脱离
shmctl(RMID) 删除

特性总结：

共享内存是所有进程间通信方式里速度最快的------挂接之后读写就是纯内存操作，不像管道那样需要系统调用拷贝数据，需求比管道少得多；
但共享内存不提供任何同步与互斥机制 ！两个进程可以同时读写同一块内存，数据一致性没有任何保障。所以共享内存一般要配合锁使用，通常就是和信号量搭配，由用户自己来保护；
生命周期随内核，用完记得删除，否则会一直留在系统里（ipcs -m 能看到）；
挂接之后，进程的虚拟地址桥梁就搭好了，虚拟地址就是访问共享数据的通道。

六、消息队列：一句话带过

消息队列也属于 System V IPC，接口风格和 shmget 一族非常相似（msgget / msgctl）。

但结论很直接：消息队列已经过时了，实际开发中不如用共享内存。 了解它属于 System V 三巨头之一即可，不必深究。

七、信号量：从并发问题说起

前面说共享内存需要"用户自己保护"，怎么保护？答案就是信号量。这也是为什么信号量也属于 IPC。

7.1 并发问题的根源

进程需要相互独立，却又要通信，所以借用操作系统来创建共享变量。但进程调度存在时序问题 ，就会导致并发问题：

多个执行流（进程/线程）会看到同一个共享资源；
任何时刻只允许一个执行流访问共享资源 → 互斥；
被保护的公共资源 → 临界资源；
访问临界资源的代码 → 临界区。

其实并发问题在管道那里就已经存在了：比如父子进程同时往屏幕打印，屏幕本身就是公共资源，而且没有被保护------两个进程的输出就可能交错混乱。

所以保护共享资源，本质上就是保护临界区代码 。任意进程的代码在并发场景下一定分为两部分：临界区 和 非临界区。

7.2 原子性

核心原则就一句话：

要么做完，要么不做------这叫做原子。

一个经典陷阱：C 语言里的 sem-- 看起来是一行代码，翻译成汇编却是多条指令 （mov 到寄存器 → 寄存器减 1 → 写回内存）。考虑这个场景：

进程 A 执行 sem--：把 10 mov 进寄存器，减成 9；
时间片到了，进程 A 被切走；
进程 B 把 sem 从 10 改成了 0；
进程 A 切回来，把寄存器里的 9 写回 sem------数据错乱了！

结论：一行汇编指令才是原子的。这就是为什么信号量的申请/释放必须由操作系统用原子操作（底层配合自旋锁等机制）来实现。

7.3 信号量 = 资源的预定机制

信号量（信号灯）的本质是一个计数器，用来对资源进行"预定"：

票 == 信号量；买票 == 申请信号量；
比如 100 个信号量，代表有 100 个可用位置；申请信号量成功，本质上就是对资源的预定。

规则：

每一个进程都必须申请同一个信号量 ------也就是说，信号量本身必须是一个所有进程都能看见的共享资源。所以信号量也是共享数据、也需要进程间通信，它因此属于 IPC！
信号量的申请（--）是原子的，称为 P 操作；
信号量的释放（++）是原子的，称为 V 操作。

分类：

二元信号量：计数器只有 0 和 1（比如只有一个座位），天然实现互斥；
多元信号量：计数器可以是任意正整数。

一个特殊用法：信号量为 0 时，每次调用如果发现值为 0，进程会陷入阻塞，直到其他进程执行了 V 操作------这就是用信号量实现同步等待的原理。

7.4 信号量的接口

接口风格和共享内存几乎一样（毕竟同属 System V）：

c 复制代码

// 创建/获取信号量 ------ 类似 shmget
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
// key：双方约定好的 key；nsems：要创建几个信号量（semget 创建的是信号量数组！）
// semflg：同样支持 IPC_CREAT / IPC_CREAT|IPC_EXCL + 权限位
// 注意：shmget 的第二个参数是字节数，semget 的第二个参数是"要创建几个"------本质一样，单位不同

// 控制信号量 ------ 打上删除标记等
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
// 第二个参数是"第几个下标"（因为创建的是数组）

// P/V 操作
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

一个细节：创建信号量和初始化信号量是分离的 （semctl 的 SETVAL 负责初始化），两步要分开做。

申请共享内存和申请信号量，两个的本质是一样的：都借助操作系统、用约定的 key、创建一个跨进程可见的共享资源。所以三者的接口长得如此相似，也就不奇怪了。

八、总结

	共享内存	消息队列	信号量
定位	数据传输（最快）	数据传输（已过时）	同步与互斥
核心接口	shmget / shmat / shmdt / shmctl	msgget / msgsnd / msgrcv / msgctl	semget / semctl / semop
关键设计	key 约定唯一性，shmid做句柄	同上	P/V 原子操作
生命周期	随内核	随内核	随内核

记住三句话：

进程间通信的本质是让不同进程看到同一份资源，System V 统一交给操作系统用"约定的 key + 内核分配的 id"来管理；
共享内存最快但裸奔，必须配合信号量（或锁）使用；
System V IPC 生命周期随内核 ，用完记得 ipcrm 清理。

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