进程间通信 之 共享内存

目录

前言

一、核心概念与本质

1.1什么是共享内存？

1.2 为什么是最快的IPC？

1.3 共享内存的特点

二、共享内存函数介绍

1.shmget

2.shmat

3.shmdt

4.shmctl

三、示例：双进程通信

1.写进程（writer.c）

2.读进程（reader.c）

四、命令行管理工具

1.查看共享内存：ipcs -m

2.删除共享内存：ipcrm -m

五、同步问题与解决方案

5.1 共享内存的最大缺陷

5.2解决方案：信号量配合

前言

共享内存是进程间通信（IPC）中效率最高的一种方式。它允许多个进程直接读写同一块物理内存区域，数据无需在内核和用户空间之间复制，从而实现了极快的数据交换。

一、核心概念与本质

1.1什么是共享内存？

共享内存是操作系统在物理内存中开辟的一块区域，多个进程可以将这块内存映射到自己的虚拟地址空间中。

一旦映射完成，进程就可以像访问自己的私有内存一样直接读写这块共享区域，无需系统调用介入。

如果某个进程向共享内存写入了数据，所做的改动将立刻被可以访问同一段共享内存的任何其他 进程看到。

1.2 为什么是最快的IPC？

与管道、消息队列等方式相比，共享内存的核心优势在于零拷贝:

管道的工作流程：

• 写进程调用write()，将数据从用户空间拷贝到内核缓冲区
• 读进程调用read()，将数据从内核缓冲区拷贝到用户空间

共享内存的工作流程：

• 进程A直接往映射的虚拟地址写入数据（直接操作物理内存）
• 进程B直接从同一地址读取数据（直接读取物理内存）
• 全程无需内核介入，省去了两次拷贝开销

1.3 共享内存的特点

二、共享内存函数介绍

1.shmget

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

• shmget()用于创建或者获取共享内存
• shmget()成功返回共享内存的 ID， 失败返回-1
• key： 不同的进程使用相同的 key 值可以获取到同一个共享内存,(这里的值和信号量的值一样也没有关系,因为类型不一样;)
• size： 创建共享内存时，指定要申请的共享内存空间大小
• shmflg: IPC_CREAT IPC_EXCL

2.shmat

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

• shmat()将申请的共享内存的物理内存映射到当前进程的虚拟地址空间上
• shmat()成功返回返回共享内存的首地址，失败返回 NULL(像malloc一样给共享空间的起始地址),看帮助手册失败返回的是-1;
• shmaddr：一般给 NULL，由系统自动选择映射的虚拟地址空间
• shmflg： 一般给 0(给0就代表的可读可写)， 可以给 SHM_RDONLY 为只读模式，其他的为读写

3.shmdt

int shmdt(const void *shmaddr);

• shmdt()断开当前进程的 shmaddr 指向的共享内存映射
• shmdt()成功返回 0， 失败返回-1
• //为什么不是删除共享内存而是断开共享内存呢?因为你不使用了,
• 别的进程可能还在使用这块共享内存;
• //删除共享内存用shmctl,就是对共享内存做控制,
• 那么可以设置,也可以删除,如下的函数;

4.shmctl

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

• shmctl()控制共享内存
• shmctl()成功返回 0，失败返回-1
• cmd： IPC_RMID
• //删除的时候如果还有人在使用共享内存,这个函数就会延迟删除,
• 等到最后一个进程断开链接它才会删除共享内存.
• //第三个参数，buf是一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

三、示例：双进程通信

1.写进程（writer.c）

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #define SHM_SIZE 1024 // 共享内存大小 int main() { key_t key; int shmid; char *data; // 1. 生成key key = ftok("/tmp", 66); if (key == -1) { perror("ftok"); exit(1); } // 2. 创建共享内存 shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); if (shmid == -1) { perror("shmget"); exit(1); } printf("共享内存创建成功，shmid = %d\n", shmid); // 3. 挂接共享内存 data = (char *)shmat(shmid, NULL, 0); if (data == (char *)-1) { perror("shmat"); exit(1); } printf("共享内存挂接成功，地址 = %p\n", data); // 4. 写入数据 const char *message = "Hello from writer process!"; strcpy(data, message); printf("数据已写入: %s\n", message); // 5. 等待用户输入后退出（让读进程有机会读取） printf("按回车键退出并清理...\n"); getchar(); // 6. 解除挂接 shmdt(data); // 7. 删除共享内存 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); printf("共享内存已删除\n"); return 0; }

2.读进程（reader.c）

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #define SHM_SIZE 1024 int main() { key_t key; int shmid; char *data; // 1. 生成相同的key key = ftok("/tmp", 66); if (key == -1) { perror("ftok"); exit(1); } // 2. 获取已存在的共享内存（注意：不使用IPC_EXCL） shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666); if (shmid == -1) { perror("shmget"); exit(1); } printf("共享内存获取成功，shmid = %d\n", shmid); // 3. 挂接共享内存 data = (char *)shmat(shmid, NULL, 0); if (data == (char *)-1) { perror("shmat"); exit(1); } printf("共享内存挂接成功，地址 = %p\n", data); // 4. 读取数据 printf("读取到数据: %s\n", data); // 5. 解除挂接（不删除，让写进程负责清理） shmdt(data); return 0; }

四、命令行管理工具

ipcrm -m 12345 # 删除shmid为12345的共享内存

1.查看共享内存：ipcs -m

$ ipcs -m ------ Shared Memory Segments -------- key shmid owner perms bytes nattch status 0x2e0a0156 12345 user 666 1024 1

字段说明：

• key：共享内存的键值
• shmid：共享内存标识符
• owner：创建者
• perms：权限
• bytes：大小
• nattch：当前挂接的进程数

2.删除共享内存：ipcrm -m

ipcrm -m 12345 # 删除shmid为12345的共享内存

【注】：共享内存的生命周期随内核，即使创建它的进程已经退出，共享内存仍然存在，除非显式删除或系统重启

五、同步问题与解决方案

5.1 共享内存的最大缺陷

共享内存本身不提供任何同步机制。如果多个进程同时读写，会出现数据竞争问题：

5.2解决方案：信号量配合

通常使用信号量来保护共享内存的访问。

// 伪代码：生产者-消费者模式 #include <semaphore.h> sem_t *sem_empty; // 空位计数 sem_t *sem_full; // 数据计数 sem_t *sem_mutex; // 互斥锁 // 生产者 void producer() { sem_wait(sem_empty); // 等待有空位 sem_wait(sem_mutex); // 加锁 // 写入共享内存 sem_post(sem_mutex); // 解锁 sem_post(sem_full); // 增加数据计数 } // 消费者 void consumer() { sem_wait(sem_full); // 等待有数据 sem_wait(sem_mutex); // 加锁 // 读取共享内存 sem_post(sem_mutex); // 解锁 sem_post(sem_empty); // 增加空位计数 }