进程间通信(IPC)----共享内存

进程间通信（IPC）的共享内存机制允许不同进程直接访问同一块物理内存区域，是速度最快的IPC方式（无需数据拷贝）。

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一、共享内存核心概念

1. 基本原理

• 共享内存区域：由内核管理的特殊内存段，可被多个进程映射到自身地址空间。
• 零拷贝：进程直接读写内存，无需通过内核缓冲区（如管道/消息队列需要）。
• 需同步：必须配合信号量/互斥锁等机制，避免数据竞争。

2. 生命周期

• 创建：shmget（System V）或 shm_open（POSIX）
• 映射：shmat 或 mmap
• 销毁：shmctl 或 shm_unlink

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二、System V 共享内存基础示例

1. 创建共享内存

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

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 65); // 生成唯一key
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT); // 创建1024字节共享内存
    char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0); // 映射到进程地址空间
    
    sprintf(str, "Hello Shared Memory!"); // 写入数据
    shmdt(str); // 解除映射
    return 0;
}

2. 另一个进程读取数据

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 65);
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666);
    char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);
    
    printf("Data read: %s\n", str);
    shmdt(str);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 销毁共享内存
    return 0;
}

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三、POSIX 共享内存进阶示例

1. 使用 mmap 和 shm_open

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    const char* name = "/my_shm";
    int fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666); // 创建POSIX共享内存对象
    ftruncate(fd, 1024); // 设置大小
    
    char *ptr = mmap(0, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    sprintf(ptr, "Hello POSIX SHM!");
    munmap(ptr, 1024);
    close(fd);
    shm_unlink(name); // 删除共享对象
    return 0;
}

2. 配合信号量同步

#include <semaphore.h>

// 写入进程
sem_t *sem = sem_open("/my_sem", O_CREAT, 0666, 1); // 初始化信号量为1
sem_wait(sem); // P操作
sprintf(ptr, "New Data with Sync");
sem_post(sem); // V操作

// 读取进程
sem_t *sem = sem_open("/my_sem", 0);
sem_wait(sem);
printf("Data: %s", ptr);
sem_post(sem);

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四、深入理解共享内存

1. 性能优势场景

• 大数据传输：如视频处理、科学计算
• 实时性要求高：高频交易系统

2. 风险与缺陷

• 数据竞争：必须强制同步
• 内存泄漏：需显式销毁共享段
• 安全风险：所有进程均可访问

3. 高级技术扩展

• 匿名共享内存：mmap 使用 MAP_ANONYMOUS，适用于父子进程
• 共享内存数据库：Redis的持久化内存设计
• 跨网络共享内存：如RDMA（远程直接内存访问）

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五、关键系统调用对比

函数	用途	System V	POSIX
shmget	创建/获取共享内存	✔️	❌
shmat	映射共享内存	✔️	❌
shmdt	解除映射	✔️	❌
mmap	内存映射文件/共享内存	❌	✔️
shm_open	创建POSIX共享内存对象	❌	✔️

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通过上述示例和解析，可以掌握共享内存的核心原理与实践技巧。实际开发中需结合场景选择System V或POSIX标准，并始终关注同步问题。