Linux 进程间通信：共享内存详解

1. 共享内存原理及使用场景

原理

共享内存是最高效的进程间通信(IPC)方式之一，它允许多个进程访问同一块物理内存区域。其核心原理是：

1. 在内存中创建一块共享区域
2. 将这块内存映射到多个进程的地址空间
3. 进程可以直接读写这块内存，无需内核干预

由于数据不需要在进程和内核之间复制，共享内存的通信速度非常快。

使用场景

共享内存适合以下场景：

• 需要高性能的进程间通信
• 需要传输大量数据
• 进程间需要频繁交换数据
• 对实时性要求高的应用

典型应用包括：

• 数据库系统
• 科学计算应用
• 图形处理程序
• 实时数据处理系统

2. 共享内存相关API接口

System V共享内存API

1. shmget - 创建/获取共享内存段

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• key: 共享内存键值，通常使用ftok生成或使用IPC_PRIVATE
• size: 共享内存段大小(字节)
• shmflg: 权限标志，常用组合：
  • IPC_CREAT | 0666：创建共享内存，权限为rw-rw-rw-
  • IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666：独占创建，若已存在则失败
• 返回值：成功返回共享内存标识符，失败返回-1

2. shmat - 附加共享内存段

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

• shmid: shmget返回的标识符
• shmaddr: 指定附加地址，通常为NULL让系统选择
• shmflg:
  • SHM_RDONLY: 只读方式附加
  • 0: 读写方式附加
• 返回值：成功返回附加后的地址指针，失败返回(void*)-1

3. shmdt - 分离共享内存段

int shmdt(const void *shmaddr);

• shmaddr: shmat返回的地址指针
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

4. shmctl - 控制共享内存段

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

• shmid: 共享内存标识符
• cmd: 控制命令
  • IPC_STAT: 获取状态信息
  • IPC_SET: 设置参数
  • IPC_RMID: 删除共享内存段
• buf: 指向shmid_ds结构的指针
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

POSIX共享内存API

1. shm_open - 创建/打开共享内存对象

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

• name: 共享内存对象名称，以/开头
• oflag: 标志位，类似open:
  • O_CREAT: 不存在则创建
  • O_RDWR: 读写方式打开
  • O_EXCL: 与O_CREAT一起使用，确保独占创建
• mode: 权限位
• 返回值：成功返回文件描述符，失败返回-1

2. shm_unlink - 删除共享内存对象

int shm_unlink(const char *name);

• name: 共享内存对象名称
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

3. ftruncate - 设置共享内存大小

int ftruncate(int fd, off_t length);

• fd: 共享内存文件描述符
• length: 要设置的大小
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

4. mmap - 内存映射

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

• addr: 映射地址，通常为NULL让系统选择
• length: 映射长度
• prot: 保护模式
  • PROT_READ: 可读
  • PROT_WRITE: 可写
• flags:
  • MAP_SHARED: 共享映射
  • MAP_PRIVATE: 私有映射
• fd: 文件描述符
• offset: 文件偏移量
• 返回值：成功返回映射地址，失败返回MAP_FAILED

5. munmap - 取消内存映射

int munmap(void *addr, size_t length);

• addr: 映射地址
• length: 映射长度
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

3. 实例代码

示例1：System V共享内存

writer.c - 写入共享内存

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>#define SHM_SIZE 1024  // 共享内存大小int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65);  // 生成key// 创建共享内存段int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 附加到进程地址空间char *shm = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);if (shm == (char*)-1) {perror("shmat failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Write Data: ");fgets(shm, SHM_SIZE, stdin);  // 写入数据printf("Data written in memory: %s\n", shm);// 等待读取进程读取while (*shm != '*') {sleep(1);}// 分离共享内存shmdt(shm);// 删除共享内存shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

reader.c - 从共享内存读取

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>#define SHM_SIZE 1024int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65);  // 相同的key// 获取共享内存int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 附加到进程地址空间char *shm = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);if (shm == (char*)-1) {perror("shmat failed");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Data read from memory: %s\n", shm);// 通知写入进程已完成读取*shm = '*';// 分离共享内存shmdt(shm);return 0;
}

示例2：POSIX共享内存

posix_writer.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>#define SHM_NAME "/my_shm"
#define SIZE 4096typedef struct {char data[SIZE];int ready;  // 1表示数据已准备好，0表示未准备好
} SharedData;int main() {int shm_fd;SharedData *shared_data;// 创建共享内存对象shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);if (shm_fd == -1) {perror("shm_open failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 配置共享内存大小if (ftruncate(shm_fd, sizeof(SharedData)) == -1) {perror("ftruncate failed");close(shm_fd);shm_unlink(SHM_NAME);exit(EXIT_FAILURE);}// 内存映射shared_data = mmap(NULL, sizeof(SharedData), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);if (shared_data == MAP_FAILED) {perror("mmap failed");close(shm_fd);shm_unlink(SHM_NAME);exit(EXIT_FAILURE);}// 初始化共享数据shared_data->ready = 0;printf("Writer: Enter data to write to shared memory: ");if (fgets(shared_data->data, SIZE, stdin) == NULL) {perror("fgets failed");munmap(shared_data, sizeof(SharedData));close(shm_fd);shm_unlink(SHM_NAME);exit(EXIT_FAILURE);}// 标记数据已准备好shared_data->ready = 1;printf("Writer: Data written to memory: %s", shared_data->data);// 等待读者读取完成printf("Writer: Waiting for reader to finish...\n");while (shared_data->ready == 1) {sleep(1);}printf("Writer: Reader has finished reading.\n");// 清理if (munmap(shared_data, sizeof(SharedData)) == -1) {perror("munmap failed");}if (close(shm_fd) == -1) {perror("close failed");}if (shm_unlink(SHM_NAME) == -1) {perror("shm_unlink failed");}return 0;
}

posix_reader.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>#define SHM_NAME "/my_shm"
#define SIZE 4096typedef struct {char data[SIZE];int ready;  // 1表示数据已准备好，0表示未准备好
} SharedData;int main() {int shm_fd;SharedData *shared_data;// 打开共享内存对象shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR, 0666);if (shm_fd == -1) {perror("shm_open failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 内存映射shared_data = mmap(NULL, sizeof(SharedData), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);if (shared_data == MAP_FAILED) {perror("mmap failed");close(shm_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 等待数据准备好printf("Reader: Waiting for data to be ready...\n");while (shared_data->ready == 0) {sleep(1);}// 读取数据printf("Reader: Data read from memory: %s", shared_data->data);// 通知写入者已完成读取shared_data->ready = 0;// 清理if (munmap(shared_data, sizeof(SharedData)) == -1) {perror("munmap failed");}if (close(shm_fd) == -1) {perror("close failed");}return 0;
}

4. 编译与运行

# 编译
gcc posix_writer.c -o posix_writer -lrt
gcc posix_reader.c -o posix_reader -lrt# 运行(需要先运行writer)
./posix_writer
# 在另一个终端
./posix_reader

注意事项

1. 共享内存没有内置的同步机制，通常需要配合信号量或互斥锁使用

2. 使用完毕后应及时释放资源，避免内存泄漏

3. 在多进程访问时要注意数据一致性问题

4. System V共享内存是持久的，即使没有进程附加也会保留，需要显式删除

5. POSIX共享内存通常挂载在/dev/shm目录下