内核篇第十五讲：system-V共享内存

大家好，接下来的一段时间我将开始学习野火的Linux 系统课程并将学习到的干货逐步更新到我的CSDN博客中。没时间刷课的同学可以把我的博客喂给AI 突击一下。

System‑V IPC 三大组件：消息队列、信号量、共享内存；

共享内存是速度最快的 IPC 方式。

一、简介

高效率传输大量数据原理 ：多个进程把同一块内核内存映射到各自进程虚拟地址空间，进程直接读写这块内存，没有内核缓冲区拷贝。

⚠️共享内存本身不带同步互斥机制！多进程并发读写必须搭配 System‑V 信号量来保护临界区。

二、使用流程

1. ftok()：生成唯一key，用于跨进程定位同一个共享内存对象
2. shmget()：创建 / 获取共享内存内核对象，得到shmid
3. shmat()：映射，把内核共享内存挂载到当前进程虚拟地址，得到可用内存指针
4. 读写共享内存（直接指针操作）
5. shmdt()：解除映射，断开进程和这块内存的关联（进程退出也会自动 detach，但最好手动写）
6. shmctl(IPC_RMID)：删除内核中的共享内存对象

注意：shmdt 只是脱离映射，不是删除共享内存；IPC_RMID 才是销毁内核对象。

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三、函数详解

1. shmget --- 创建 / 获取共享内存 ID

功能：创建共享内存段，或者打开已存在的共享内存，返回 shmid

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

• 参数
  • key：ftok 生成的键值
  • size：共享内存字节大小；内核分配时会向上对齐到内存页大小
  • shmflg：标志
    • IPC_CREAT：不存在则创建；存在直接打开
    • mode：权限，如0664
• 返回
  • 成功：共享内存 ID**（shmid）**
  • 失败：-1

2. shmat --- 映射共享内存

功能：将内核共享内存映射到当前进程虚拟地址空间

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

• 参数
  • shmid：共享内存 ID
  • shmaddr：指定映射地址；
  • shmflg
    • SHM_RDONLY：只读映射
    • 0：可读可写
• 返回
  • 成功：共享内存起始虚拟地址
  • 失败：-1

重点：拿到返回指针后，直接像普通数组一样读写内存。

3. shmdt --- 解除映射

功能：断开当前进程与共享内存段的映射关系

int shmdt(const void *shmaddr);

• 参数：shmaddr：shmat 返回的映射首地址
• 返回
  • 成功：0
  • 失败：-1

仅解除当前进程的映射，不会删除内核里的共享内存对象；只要还有进程 attach，内存就不会销毁。

4. shmctl --- 控制共享内存

功能：获取 / 修改共享内存属性，删除共享内存对象

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

• 参数
  • shmid：共享内存 ID
  • cmd 命令
    • IPC_STAT：读取共享内存属性，存入 buf
    • IPC_SET：修改共享内存属性
    • IPC_RMID：标记删除共享内存；不会立刻销毁，等所有进程都 shmdt 之后才真正释放
  • buf：属性结构体指针，IPC_RMID 时填 NULL 即可
• 返回
  • 成功：视 cmd 而定
  • 失败：-1

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四、实战演练

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

#define DELAY_TIME 3

int main(void)
{
    pid_t result;
    int sem_id;
    int shm_id;
    char *addr;

    sem_id = semget((key_t)6666, 1, 0666 | IPC_CREAT); /* 创建一个信号量 */
    shm_id = shmget((key_t)7777, 1024, 0666 | IPC_CREAT); /* 创建一个共享内存对象 */

    /* 初始化信号量 */
    init_sem(sem_id, 0);

    /* 调用 fork() 函数 */
    result = fork();
    if (result == -1) {
        perror("Fork\n");
    } else if (result == 0) { /* 返回值为 0 代表子进程 */
        printf("Child process will wait for some seconds...\n");
        sleep(DELAY_TIME);

        /* 映射共享内存 */
        addr = shmat(shm_id, NULL, 0);
        if (addr == (void *)-1) {
            printf("shmat111 error!");
            exit(-1);
        }

        /* 设置共享内存中的内容 */
        memcpy(addr, "helloworld", 11);

        printf("the child process is running...\r\n");
        sem_v(sem_id);
    } else { /* 返回值大于 0 代表父进程 */
        sem_p(sem_id);
        printf("the father process is running...\r\n");

        /* 映射共享内存地址 */
        addr = shmat(shm_id, NULL, 0);
        if (addr == (void *)-1) {
            printf("shmat222 error!");
            exit(-1);
        }

        printf("shared memory string:%s\r\n", addr);

        /* 接触共享内存映射 */
        shmdt(addr);
    }

    exit(0);
}

五、关键考点总结

1. 速度优势：无内存拷贝，进程直接读写物理内存，三大 IPC 里最快。

2. 同步问题：共享内存本身没有互斥保护，多进程读写必须配合信号量。

3. 生命周期：内核对象，进程退出不会自动删除，必须shmctl(IPC_RMID)。

4. 删除机制：IPC_RMID 只是打删除标记；所有进程 detach 之后，内核才真正释放内存。

   ipcs -m # 查看系统所有共享内存
   ipcrm -m shmid # 删除指定共享内存

IPC	核心 API	本质	特点
消息队列	msgget/msgsnd/msgrcv/msgctl	内核消息链表	有数据拷贝；自带消息边界；自带阻塞
信号量	semget/semctl/semop	内核计数器	不传输数据；用于互斥、同步
共享内存	shmget/shmat/shmdt/shmctl	内核内存段	无拷贝速度最快；无同步，必须搭配信号量