第三章 Linux进程线程：4.共享内存

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于 2025-04-07 21:39:35 首次发布

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4.共享内存

共享内存不同于内存映射区，它不属于任何进程，并且不受进程生命周期的影响。
通过调用Linux提供的系统函数就可得到这块共享内存。使用之前需要让进程和共享内存进行关联，得到共享内存的起始地址之后就可以直接进行读写操作了，进程也可以和这块共享内存解除关联, 解除关联之后就不能操作这块共享内存了。
在所有进程间通信的方式中共享内存的效率是最高的。

共享内存操作默认不阻塞，如果多个进程同时读写共享内存，可能出现数据混乱，共享内存需要借助其他机制来保证进程间的数据同步，比如：信号量，共享内存内部没有提供这种机制。
共享内存 | 爱编程的大丙

1. 创建/打开共享内存

1.1 shmget

在使用共享内存之前，如果共享内存不存在就需要先创建出来，如果已经存在了需要先打开这块共享内存。不管是创建还是打开共享内存使用的函数是同一个，函数原型如下:

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

Note

- 参数:

key: 类型 key_t 是个整形数, 通过这个key可以创建或者打开一块共享内存，该参数的值一定要大于0
size: 创建共享内存的时候, 指定共享内存的大小，如果是打开一块存在的共享内存, size是没有意义的
shmflg：创建共享内存的时候指定的属性
- IPC_CREAT: 创建新的共享内存，如果创建共享内存, 需要指定对共享内存的操作权限，比如：IPC_CREAT | 0664
- IPC_EXCL: 检测共享内存是否已经存在了，必须和 IPC_CREAT一起使用
返回值：共享内存创建或者打开成功返回标识共享内存的唯一的ID，失败返回-1

函数使用举例:
场景1：创建一块大小为4k的共享内存

shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);

场景2：创建一块大小为4k的共享内存, 并且检测是否存在

// 如果共享内存已经存在, 共享内存创建失败, 返回-1, 可以perror() 打印错误信息
shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664|IPC_EXCL);

场景3：打开一块已经存在的共享内存

// 函数参数虽然指定了大小和IPC_CREAT, 但是都不起作用, 因为共享内存已经存在, 只能打开, 参数4096也没有意义
shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);
shmget(100, 0, 0);//上述代码相当于这个

场景4：打开一块共享内存, 如果不存在就创建

shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);

`shm_open()`

函数原型

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

参数

参数	说明
`name`	共享内存对象的名称，必须以正斜杠 `/` 开头，但不能包含其他 `/`，例如 `"/my_shm"`。
`oflag`	打开模式，类似 `open()`，可使用多个标志位进行按位或（`
`mode`	权限模式（如 `0644`），仅在 `O_CREAT` 时生效，控制谁可以访问该共享内存。

`oflag` 参数说明

标志位	说明
`O_CREAT`	如果不存在，则创建共享内存对象
`O_EXCL`	与 `O_CREAT` 组合使用，如果共享内存对象已存在，则返回错误
`O_RDONLY`	以只读模式打开
`O_RDWR`	以读写模式打开
`O_TRUNC`	如果共享内存对象已存在，则将其大小截断为 0（必须搭配 `O_RDWR`）

返回值

成功：返回 文件描述符（fd）
失败：返回 -1，并设置 errno（例如 EEXIST 表示对象已存在）

`shm_unlink()函数`

函数原型

`#include <sys/mman.h>  
int shm_unlink(const char *name);`

参数

参数	说明
`name`	`shm_open()` 创建共享内存对象的名称

功能

shm_unlink() 仅删除shm_open()创建的共享内存对象的名称，但不会立即释放内存。
只有当所有进程关闭该共享内存对象时，系统才会释放内存。
返回值
成功：返回 0
失败：返回 -1，并设置 errno。

1.2 ftok

shmget() 函数的第一个参数是一个大于0的正整数，如果不想自己指定可以通过 ftok()函数直接生成这个key值。该函数的函数原型如下：

// ftok函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

// ****将两个参数作为种子, 生成一个 key_t 类型的数值****
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

参数:
- pathname: 当前操作系统中一个存在的路径
- proj_id: 这个参数只用到了int中的一个字节, 传参的时候要将其作为 char 进行操作，取值范围: 1-255
返回值：函数调用成功返回一个可用于创建、打开共享内存的key值，调用失败返回-1
使用举例：

// 根据路径生成一个key_t
key_t key = ftok("/home/robin", 'a');
// 创建或打开共享内存
shmget(key, 4096, IPC_CREATE|0664);

2. 关联和解除关联

2.1 shmat

创建/打开共享内存之后还必须和共享内存进行关联，得到共享内存的起始地址，通过得到的内存地址进行数据的读写操作

关联函数的原型如下：

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

参数:
- shmid: 要操作的共享内存的ID, 是 shmget() 函数的返回值(共享内存创建或者打开成功存的唯一的ID)
- shmaddr: 共享内存的起始地址, 用户不知道, 需要让内核指定, 写NULL
- shmflg: 和共享内存关联的对共享内存的操作权限
  - SHM_RDONLY: 读权限, 只能读共享内存中的数据
  - 0: 读写权限，可以读写共享内存数据
返回值：关联成功，返回值共享内存的起始地址，关联失败返回 (void *) -1

2.2 shmdt

当进程不需要再操作共享内存，可以让进程和共享内存解除关联，另外如果没有执行该操作，进程退出之后，结束的进程和共享内存的关联也就自动解除了。

int shmdt(const void *shmaddr);

参数：shmat() 函数的返回值, 共享内存的起始地址
返回值：关联解除成功返回0，失败返回-1

3. 删除共享内存

3.1 shmctl

shmctl() 函数是一个多功能函数，可以设置、获取共享内存的状态也可以将==共享内存标记为删除状态==。当共享内存被标记为删除状态之后，并不会马上被删除，直到所有的进程全部和共享内存解除关联，共享内存才会被删除。因为通过shmctl()函数只是能够标记删除共享内存，所以在程序中多次调用该操作是没有关系的。

// 共享内存控制函数
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

// 参数 struct shmid_ds 结构体原型          
struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
	size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
	time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
	time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
	time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
	pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
	pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    // 引用计数, 多少个进程和共享内存进行了关联
	shmatt_t        shm_nattch;  /* 记录了有多少个进程和当前共享内存进行了管联 */
	...
};

参数:
- shmid: 要操作的共享内存的ID, 是 shmget() 函数的返回值
- cmd:
- buf:
  - cmd= =IPC_STAT, 作为传出参数, 会得到共享内存的相关属性信息
  - cmd= =IPC_SET, 作为传入参, 将用户的自定义属性设置到共享内存中
  - cmd= =IPC_RMID, buf就没意义了, 这时候buf指定为NULL即可
- 返回值：函数调用成功返回值大于等于0，调用失败返回-1并设置 errno。
  - EINVAL：shmid 非法或 cmd 无效
  - EACCES：无权限执行操作
  - EPERM：尝试删除共享内存但权限不足
  - EFAULT：buf 指针指向的地址不可访问

3.2 相关shell命令

使用ipcs 添加参数-m可以查看系统中共享内存的详细信息

$ ipcs -m
------------ 共享内存段 --------------
键        shmid      拥有者  权限     字节     nattch     状态      
0x00000000 425984     oracle     600        524288     2          目标       
0x00000000 327681     oracle     600        524288     2          目标       
0x00000000 458754     oracle     600        524288     2          目标

使用 ipcr -m 命令可以标记删除某块共享内存

# key == shmget的第一个参数
$ ipcrm -M shmkey  
# id == shmget的返回值
$ ipcrm -m shmid

3.3 共享内存状态

// 参数 struct shmid_ds 结构体原型          
struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
	size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
	time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
	time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
	time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
	pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
	pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    // 引用计数, 多少个进程和共享内存进行了关联
	shmatt_t        shm_nattch;  /* 记录了有多少个进程和当前共享内存进行了管联 */
	...
};

通过shmctl()得知，共享内存的信息是存储到一个叫做struct shmid_ds的结构体中，其中有一个非常重要的成员叫做shm_nattch，在这个成员变量里边记录着当前共享内存关联的进程的个数，一般将其称之为引用计数。当共享内存被标记为删除状态，并且这个引用计数变为0之后共享内存才会被真正的被删除掉。

当共享内存被标记为删除状态之后，共享内存的状态也会发生变化，共享内存内部维护的key从一个正整数变为0，其属性从公共的变为私有的。这里的私有是指只有已经关联成功的进程才允许继续访问共享内存，不再允许新的进程和这块共享内存进行关联了。

4. 进程间通信

使用共享内存实现进程间通信的操作流程如下：

1. 调用linux的系统API创建一块共享内存
    - 这块内存不属于任何进程, 默认进程不能对其进行操作
2. 准备好进程A, 和进程B, 这两个进程需要和创建的共享内存进行关联
    - 关联操作: 调用linux的 api
    - 关联成功之后, 得到了这块共享内存的起始地址
3. 在进程A或者进程B中对共享内存进行读写操作
    - 读内存: printf() 等;
	- 写内存: memcpy() 等;
4. 通信完成, 可以让进程A和B和共享内存解除关联
    - 解除成功, 进程A和B不能再操作共享内存了
    - 共享内存不受进程生命周期的影响的
5. 共享内存不在使用之后, 将其删除
    - 调用linux的api函数, 删除之后这块内存被内核回收了

写共享内存的进程代码:

#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 1. 创建共享内存, 大小为4k
    int shmid = shmget(1000, 4096, IPC_CREAT|0664);//获取共享内存标识符 `shmid`
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmget error");
        return -1;
    }
    // 2. 当前进程和共享内存关联
    void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0);//共享内存映射到当前进程的地址空间。
    if(ptr == (void *) -1)
    {
        perror("shmat error");
        return -1;
    }
    // 3. 写共享内存
    const char* p = "hello, world, 共享内存真香...";
    memcpy(ptr, p, strlen(p)+1);
    // 阻塞程序
    printf("按任意键继续, 删除共享内存\n");
    getchar();
    shmdt(ptr);//解除关联
    // 删除共享内存
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    printf("共享内存已经被删除...\n");
    return 0;
}

读共享内存的进程代码:

#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
int main()
{
    // 1. 创建共享内存, 大小为4k
    int shmid = shmget(1000, 0, 0);//尝试获取键值为1000的共享内存段的ID，
    //同时shmflg = 0,size = 0：不创建新共享内存；不打算创建 (`IPC_CREAT`)
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmget error");
        return -1;
    }
    // 2. 当前进程和共享内存关联
    void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
    if(ptr == (void *) -1)
    {
        perror("shmat error");
        return -1;
    }
    // 3. 读共享内存
    printf("共享内存数据: %s\n", (char*)ptr);
    // 阻塞程序
    printf("按任意键继续, 删除共享内存\n");
    getchar();
    shmdt(ptr);
    // 删除共享内存
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    printf("共享内存已经被删除...\n");
    return 0;
}

5. shm和mmap的区别

共享内存和内存映射区都可以实现进程间通信，下面来分析一下二者的区别：

实现进程间通信的方式
- shm: 多个进程只需要一块共享内存就够了，共享内存不属于进程，需要和进程关联才能使用
- 内存映射区: 位于每个进程的虚拟地址空间中, 并且需要关联同一个磁盘文件才能实现进程间数据通信
效率:
- shm: 直接对内存操作，效率高
- 内存映射区: 需要内存和文件之间的数据同步，效率低
生命周期
- 内存映射区：进程退出, 内存映射区也就没有了
- shm：进程退出对共享内存没有影响，==调用相关函数/命令/ 关机才能删除共享内存==
数据的完整性 -> 突发状态下数据能不能被保存下来（比如: 突然断电）
- 内存映射区：==可以完整的保存数据, 内存映射区数据会同步到磁盘文件==
- shm：数据存储在物理内存中, 断电之后系统关闭, 内存数据也就丢失了

补充：truncate()和ftruncate()

truncate和ftruncate都可以将文件缩放到指定大小，二者的行为类似：如果文件被缩小，截断部分的数据丢失，如果文件空间被放大，扩展的部分均为\0字符。缩放前后文件的偏移量不会更改。缩放成功返回0，失败返回-1。
不同的是，前者需要指定路径，而后者需要提供文件描述符；ftruncate缩放的文件描述符可以是通过shm_open()开启的内存对象，而truncate缩放的文件必须是文件系统已存在文件，若文件不存在或没有权限则会失败。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int truncate(const char *path, off_t length); 
	/**将指定文件扩展或截取到指定大小
	char *path: 文件名 指定存在的文件即可 不需要打开
	off_t length: 指定长度 单位字节 
	return: int 成功 0 
			失败 -1 */ 
int ftruncate(int fd, off_t length);
	/*将指定文件描述符扩展或截取到指定大小
	int fd: 文件描述符 需要打开并且有写权限
	off_t length: 指定长度 单位字节
	return: int 成功 0 * 失败 -1*/