【进程与线程】共享内存（Shared Memory）

IPC对象的查看： ipcs -a

共享内存:
    1> 共享内存是内核实际存在的一块物理内存  
    2> 共享内存是通信效率最高的通信方式 
    3> 共享内存的读操作主动不会阻塞（共享内存的数据不会主动消失，bzero清空后，读操作也会阻塞）; 
    
    -------------------------------------
    key        shmid      owner      perms      bytes      nattch               status 
    键值        id号       拥有者    权限       大小       当前使用的进程数       状态

System V 共享内存

共享内存（Shared Memory）是 System V IPC 机制中效率最高的进程间通信方式，允许多个进程直接访问同一块物理内存区域。

共享内存是内核中的一块物理内存，它由操作系统管理，可以被多个进程访问。共享内存是效率最高的通信方式，因为进程直接读写内存，无需系统调用或数据拷贝。

System V共享内存的基本概念和操作步骤：共享内存的创建通常使用 shmget 函数，连接使用 shmat，分离使用 shmdt，控制使用 shmctl。本文解析了这些函数的作用与函数和使用场景；以及共享内存的特性，比如生命周期、同步问题，以及为什么读操作不会阻塞，但清空后可能阻塞。

共享内存的数据不会主动消失，这意味着数据会一直保留直到被显式删除或系统重启，但使用bzero清空共享内存后，读操作可能阻塞，这似乎矛盾。因为bzero的作用只是将内存区域置零，但共享内存本身仍然存在。阻塞的原因则是因为进程在读取时没有数据可读，但共享内存本身并不管理数据的可用性，需要额外的同步机制，比如信号量，来协调读写操作。

共享内存是通信效率最高的通信方式，因为数据不需要在进程间复制；但其缺点在于需要手动同步，容易导致竞争条件。并且，共享内存的生命周期独立于进程，需要显式删除，否则会一直存在，可能导致资源泄漏 ——> 同步机制与异步机制不同，在使用共享内存的过程中尤其需要注意这一点，比如需要使用信号量或互斥锁来避免数据不一致。

共享内存适合大量数据交换且对速度要求高的应用，比如图像处理、科学计算等。共享内存的读操作通常不会阻塞，因为数据一旦写入就存在，但如果没有同步机制，读进程可能读到不完整的数据，或者写进程覆盖数据导致问题。

一、共享内存的核心特点

1. 内核管理的物理内存
   • 共享内存是内核分配的一块真实物理内存，通过系统调用映射到进程的虚拟地址空间。
   • 生命周期独立于进程：即使创建它的进程终止，共享内存仍存在，需显式删除（shmctl(..., IPC_RMID)）。
2. 通信效率最高
   • 数据直接在内存中读写，无需内核中转或用户态与内核态的数据拷贝。
   • 适用于高频、大数据量的通信场景（如视频处理、科学计算）。
3. 读写操作的阻塞特性
   • 默认不阻塞：读操作直接访问内存数据，不会因数据未就绪而阻塞。
   • 清空后的阻塞：若共享内存被清空（如 bzero()），读操作可能因无有效数据而需同步机制（如信号量）协调。

二、共享内存的操作步骤

1. 创建或获取共享内存段

使用 shmget() 创建或获取共享内存标识符：

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

key_t key = ftok("/tmp", 'A');  // 生成唯一键值
int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | 0666);

• key：唯一标识共享内存的键值（通过 ftok() 生成）。
• size：共享内存大小（字节）。
• shmflg：权限标志（如 IPC_CREAT | 0666）。

2. 连接共享内存到进程地址空间

使用 shmat() 将共享内存映射到进程的虚拟地址空间：

char *shm_ptr = shmat(shmid, NULL, 0);

• shmid：共享内存标识符。
• shmaddr：映射地址（通常设为 NULL，由内核自动选择）。
• shmflg：标志（如 SHM_RDONLY 只读模式）。

3. 读写共享内存

直接通过指针操作内存：

// 写入数据
sprintf(shm_ptr, "Hello Shared Memory");

// 读取数据
printf("Data: %s\n", shm_ptr);

4. 分离共享内存

使用 shmdt() 断开进程与共享内存的连接：

shmdt(shm_ptr);  // 分离共享内存

5. 删除共享内存

使用 shmctl() 控制共享内存（如删除）：

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);  // 标记删除，当所有进程分离后释放

三、共享内存的同步问题

由于共享内存不提供内置同步机制，需结合其他 IPC（如信号量）避免竞态条件。

使用信号量同步：

#include <sys/sem.h>

// 创建信号量
int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);
semctl(semid, 0, SETVAL, 1);  // 初始值为1（互斥锁）

struct sembuf op;
op.sem_num = 0;
op.sem_op = -1;  // P操作（获取资源）
op.sem_flg = 0;
semop(semid, &op, 1);

// 临界区：操作共享内存
sprintf(shm_ptr, "Data with semaphore");

op.sem_op = 1;  // V操作（释放资源）
semop(semid, &op, 1);

四、共享内存的底层原理

1. 内核数据结构
   • struct shmid_kernel：内核维护每个共享内存段的信息，包括权限、大小、连接数等。
   • 页表映射：共享内存被映射到进程的虚拟地址空间，通过页表指向同一物理内存。
2. 读写操作的原子性
   • 共享内存本身不保证原子性，需用户自行同步。
   • 单次内存访问（如 int 读写）通常是原子的，但复杂操作（如结构体更新）需加锁。
3. 清空内存与阻塞
   • bzero(shm_ptr, size)：仅将内存数据清零，不改变共享内存的可用性。
   • 若读操作依赖数据有效性（如等待非零值），需通过同步机制（如信号量）实现阻塞等待。

优点	缺点
无数据拷贝，速度极快	需手动同步（易引发竞态条件）
适合大数据量通信	生命周期需显式管理
多进程可并发访问	数据无内置结构（需约定格式）

代码示例：进程间通信

写进程（writer.c）

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    //1- ftok()获得键值
    key_t key = ftok("/",0x2);
    if(key == -1)
    {
        perror("ftok");
        return -1;
    }       
    //2- 获得ID号
    int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT | 0666);  //通过上一步获得键值得到共享内存的ID号
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        return -1;
    }     
     //3- 映射地址
    char* addr =  (char *)shmat(shmid,NULL,0);     //利用上一步获得的键值得到共享内存的映射地址
    if(addr ==  (void *)-1)
    {
        perror("shamt");
        return -1;
    }
    bzero(addr,1024);
        /* 向共享内存中写入数据 */
    while(1)
    {
            scanf("%s",addr);   //从键盘读取数据写入共享内存
            if(strncmp(addr,"quit",4) == 0)
                break;
    }
     //4- 解除映射
    if(shmdt(addr) == -1)
    {
            perror("shmat");
            return -1;
    } 
     
}

读进程（reader.c）

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    //1- ftok()获得键值
    key_t key = ftok("/",0x2);
    if(key == -1)
    {
        perror("ftok");
        return -1;
    }    
    //2- 获得ID号
    int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT | 0666);  //通过上一步获得键值得到共享内存的ID号
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        return -1;
    }    
    //3- 映射地址
    char* addr =  (char *)shmat(shmid,NULL,0);     //利用上一步获得的键值得到共享内存的映射地址
    if((addr ==  (void *)-1))
    {
        perror("shamt");
        return -1;
    }
        /* 读取数据 */
    while(1)
    {
            printf("%s",addr);
            fflush(stdout);
            
            
            if(strncmp(addr,"quit",4) == 0)
                    break;
            bzero(addr,1024);
            sleep(1);
            
    }     
     //4- 解除映射
    if(shmdt(addr) == -1)
    {
            perror("shmat");
            return -1;
    } 
    
}

运行步骤：

1. 编译并运行写进程：

gcc writer.c -o writer
./writer

2. 编译并运行读进程：

gcc reader.c -o reader
./reader

简而言之，重点记住共享内存是最高效的 IPC，适用于高性能数据共享；并且，必须结合同步机制（如信号量）避免数据竞争；生命周期管理关键：显式创建、分离和删除。

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我是一个十分热爱技术的程序员，希望这篇文章能够对您有帮助，也希望认识更多热爱程序开发的小伙伴。
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