Linux 之 【进程间通信】（共享内存、ftok、shmget、shmat、shmdt、shctl、IPC相关指令）

目录

1.共享内存的通信原理

2.共享内存的创建

ftok

shmget

IPC相关命令

共享内存的生命周期

3.共享内存的（去）关联

shmat

shmdt

4.共享内存的释放

shmctl

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

5.共享内存的使用

1.共享内存的通信原理

操作系统预先分配一块物理内存（称为共享内存），多个进程通过各自的页表将这段内存映射到自身的虚拟地址空间（通常是共享区），使得不同进程的虚拟地址最终指向同一块物理内存。进程可以直接读写该内存区域进行数据交换，从而实现高效通信，但需配合同步机制保证数据一致性

由于进程具有严格的独立性，其直接分配的内存只能自己独享，无法直接用于进程间通信。为了解决这一矛盾，共享内存必须由作为全局管理者的操作系统内核来提供。进程通过系统调用请求操作系统执行以下核心步骤来间接使用共享内存：创建/获取一块共享内存区域、将其关联（映射）到自身地址空间并使用、通信完成后去关联、最终由系统销毁该区域。

1. 创建/获取（申请内存）：进程请求操作系统创建一块新的共享内存，或获取一块已存在的共享内存的标识符。操作系统在物理内存中为其分配空间。
2. 关联：进程将这块共享内存映射到自己的进程地址空间（通常是共享区），操作系统建立进程页表到该物理内存的映射关系，并返回映射后的虚拟首地址供进程访问。
3. 使用：进程通过得到的虚拟地址直接读写该内存区域，进行进程间通信。
4. 去关联：通信完成后，进程断开与该共享内存的映射关系（去关联），使其从本进程的地址空间中移除。
5. 销毁（释放）：当所有使用该共享内存的进程都完成去关联后，操作系统最终释放该共享内存资源。

为了管理系统中可能存在的多块共享内存，操作系统采用“先描述，再组织”的方式：用一个内核数据结构（如struct shmid_ds）来描述每一块共享内存的信息（大小、权限、关联进程数等），再通过链表等数据结构将这些描述对象组织起来，实现统一高效的管理

2.共享内存的创建

• ftok

共享内存的键值（key）是用户进程预先约定的一个标识符，它的核心作用是让不同进程能够通过相同的key值找到或创建同一个共享内存对象。key并非由操作系统保证全局唯一，而是由应用程序自身确保其唯一性（通常通过ftok()函数基于文件路径生成）。第一个进程使用shmget(key, size, IPC_CREAT)创建共享内存时，系统会将此key与它关联起来；后续其他进程只需使用相同的key调用shmget()即可获取该共享内存的访问句柄。因此，key在整个共享内存通信机制中扮演的是进程间“约定地址”的角色，类似于文件系统中的路径名，其唯一性和一致性由使用它的各进程共同维护

操作系统无法预知哪些进程需要通信、何时通信。若由系统自动分配key，则进程仍需通过其他渠道（如文件、环境变量或硬编码）交换这个key，这反而增加了耦合度和复杂性。用户约定key（通常通过ftok或预定义常量）使得通信双方能以松耦合的方式独立连接到同一资源，共享内存因此成为一种独立、通用、不依赖特定进程关系的通信机制

• shmget

申请共享内存时，操作系统会直接按内存页（通常4KB）的整数倍进行物理内存分配，然后让用户使用申请的那一部分（这样设计较为简单）。所以建议申请4kb的整数倍，减少浪费

在共享内存通信机制中，IPC键值（key）是用户层（进程间）约定的查找标识符，它由应用程序通过预定义或ftok函数生成，用于在不同进程中指向同一个共享内存对象

共享内存标识符（shmid）是操作系统内核分配和管理共享内存的唯一标识，它在系统范围内唯一，进程通过shmget系统调用获得shmid后，所有后续操作（映射、控制、分离）都基于此shmid进行。

shmid与“一切皆文件”的理念兼容性较差，因为它是一个独立的整数句柄，而不是通过文件系统路径访问；key像是一个逻辑路径名，但其实现机制独立于文件系统。

• IPC相关命令

# 查看所有IPC资源 ipcs # 查看特定类型的资源 ipcs -m # 共享内存 ipcs -q # 消息队列 ipcs -s # 信号量 # 详细查看 ipcs -a # 所有详细信息（默认） ipcs -l # 显示系统限制 ipcs -p # 显示PID信息 ipcs -t # 显示时间信息 ipcs -c # 显示创建者/拥有者 ipcs -u # 显示摘要使用情况

# 删除共享内存 ipcrm -m <shmid> # 按shmid删除 ipcrm -M <key> # 按key删除 # 删除消息队列 ipcrm -q <msqid> # 按msqid删除 ipcrm -Q <key> # 按key删除 # 删除信号量 ipcrm -s <semid> # 按semid删除 ipcrm -S <key> # 按key删除 # 删除所有用户拥有的IPC资源（危险！） ipcrm -a # 删除当前用户的所有IPC ipcrm -A # 删除所有用户的IPC（需要root）

• 共享内存的生命周期

共享内存的生命周期是随内核的，用户不主动关闭，共享内存会一直存在，除非内核重启（用户释放）

3.共享内存的（去）关联

• shmat

• shmdt

4.共享内存的释放

• shmctl

• shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

1. 标记删除：立即将共享内存标记为dest状态
2. 延迟释放：
   1. 如果nattch == 0：立即释放物理内存和内核结构
   2. 如果nattch > 0：等待所有进程shmdt()分离后自动释放
3. 阻止新挂接：标记后，其他进程无法再shmat()挂接该内存

// IPC_RMID 的典型使用模式 int main() { int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT|0666); // 立即标记删除（推荐做法） shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 此时： // 1. 已关联的进程可继续使用 // 2. 新进程无法关联 // 3. 所有进程分离后自动释放 void *ptr = shmat(shmid, NULL, 0); // ... 使用 ... shmdt(ptr); // 最后一个进程分离后，内存释放 return 0; }

5.共享内存的使用

• processa.cc

#include "comm.hpp" //读取 int main() { //创建与关联 int shmid = CreateShm(); char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0); //创建管道 Init init; // 打开管道 int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY); if (fd < 0) { logObj(Fatal, "error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno); exit(FIFO_OPEN_ERR); } //开始通信 struct shmid_ds shmds; char tmp; while(true) { int n = read(fd, &tmp, 1);//看看是否被通知 if(n <= 0) break; cout << "client say@" << shmaddr << endl; sleep(1); shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmds); cout << "shm nattch: " << shmds.shm_nattch << endl; cout << "shm size: " << shmds.shm_segsz << endl; printf("shm key: 0x%x\n", shmds.shm_perm.__key); cout << "shm mode: " << shmds.shm_perm.mode << endl; } //去关联与删除 shmdt(shmaddr); shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr); close(fd); return 0; }

• processb.cc

#include "comm.hpp" //写入 int main() { //获取与关联 int shmid = GetShm(); char* shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0); // 打开管道 int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY); if (fd < 0) { logObj(Fatal, "error string: %s, error code: %d", strerror(errno), errno); exit(FIFO_OPEN_ERR); } //开始通信 while(true) { cout << "Please Enter@"; fgets(shmaddr, 4096, stdin); write(fd, "c", 1);//通知对方 } //去关联 shmdt(shmaddr); return 0; }

（1）processa是读端，processb是写端

（2）processa创建并关联共享内存后进行读取操作，processb获取并关联共享内存后进行写入操作

（3）进程一旦拥有并关联共享内存后，进程就能够直接将共享内存作为自己的内存空间来使用（不需要通过系统调用）。所以一旦processb进行写入操作，processa立马就能执行读取操作

（4）显然，使用共享内存进行通信是所有进程间通信方式中最快的，因为它拷贝少

通信方式	数据拷贝次数	内核/用户切换	具体过程
共享内存	1次（或0次）	1次（建立映射）	1. 数据写入共享内存（1次） 2. 其他进程直接读取（0次拷贝）
管道	4次	2次（读写各1次）	1. 用户缓冲区→内核管道缓冲区（1次） 2. 内核→用户缓冲区（1次） 总计：2次拷贝/方向，双向4次

（5）当然，共享内存的数据要由用户自己维护，这是因为共享内存没有同步（读端不会阻塞等待写端写入）和互斥（写端未完整写入完数据就被读端读取，导致数据不一致问题）机制

（6）这里使用命名管道进行保护措施（同步机制）：写端先通过共享内存进行完写入操作后，再通过命名管道发送一个字符通知读端，读端只有通过命名管道读取到字符后才通过共享内存进行读取操作