Linux下共享内存详解

共享内存是Linux中一种高效的进程间通信（IPC）方式，它允许多个进程共享同一段内存，从而实现数据的快速传递。共享内存通常比其他IPC机制（如管道或消息队列）更快，因为数据直接存储在内存中，而不需要额外的内核拷贝。

1. 共享内存的基础概念

在Linux中，共享内存有两种主要实现方式：

• POSIX共享内存：符合POSIX标准，通过shm_open和mmap等函数操作。
• System V共享内存：这是传统的共享内存机制，依赖shmget、shmat等函数。

两者的使用场景各有不同，POSIX共享内存通常更现代化、易用，且与文件系统相关联，而System V共享内存则具有较长的历史，并且更加底层。

2. System V 共享内存

2.1 shmget 函数

shmget用于创建或获取共享内存段，语法如下：

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

• key：共享内存段的标识符，可以通过ftok函数生成。
• size：共享内存的大小。
• shmflg：权限标志，通常包括读写权限（如0666）以及IPC_CREAT（创建标志）等。

示例：

key_t key = ftok("file", 65); // 生成key

int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT); // 创建1KB大小的共享内存段

2.2 shmat 函数

shmat用于将共享内存段连接到当前进程的地址空间，语法如下：

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

• shmid：通过shmget获取的共享内存标识符。
• shmaddr：通常为NULL，让系统自动选择合适的地址。
• shmflg：标志位，常用0或SHM_RDONLY（只读模式）。

示例：

char* str = (char*) shmat(shmid, NULL, 0); // 连接共享内存段

2.3 shmdt 函数

shmdt用于分离共享内存段，即将共享内存从当前进程的地址空间中移除：

int shmdt(const void *shmaddr);

• shmaddr：通过shmat返回的共享内存地址。

示例：

shmdt(str); // 分离共享内存段

2.4 shmctl 函数

shmctl用于控制共享内存段，比如删除共享内存段或获取共享内存段的信息：

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

• shmid：共享内存段的标识符。
• cmd：控制命令，如IPC_RMID（删除共享内存段）。
• buf：用于存储共享内存段的相关信息。

示例：

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 删除共享内存段

3. POSIX 共享内存

3.1 shm_open 函数

shm_open用于创建或打开一个共享内存对象，它与文件相关联，并且可以通过文件描述符访问，语法如下：

int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

• name：共享内存对象的名称，以/开头。
• oflag：标志位，常用O_CREAT（创建）、O_RDWR（读写）等。
• mode：权限，如0666。

示例：

int fd = shm_open("/myshm", O_CREAT | O_RDWR, 0666); // 创建/打开共享内存

3.2 ftruncate 函数

ftruncate用于调整共享内存对象的大小：

int ftruncate(int fd, off_t length);

• fd：通过shm_open返回的文件描述符。
• length：共享内存对象的大小。

示例：

ftruncate(fd, 1024); // 调整共享内存大小为1KB

3.3 mmap 函数

mmap用于将共享内存映射到进程的地址空间中：

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

• addr：通常为NULL，表示由系统选择地址。
• length：映射的大小。
• prot：内存保护位，如PROT_READ（可读）、PROT_WRITE（可写）。
• flags：标志位，如MAP_SHARED（共享）。
• fd：通过shm_open返回的文件描述符。
• offset：通常为0。

示例：

void* ptr = mmap(0, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//映射共享内存

3.4 munmap 函数

munmap用于解除共享内存的映射：

int munmap(void* addr, size_t length);

• addr：映射内存的地址。
• length：映射的大小。

示例：

munmap(ptr, 1024); // 解除映射

3.5 shm_unlink 函数

shm_unlink用于删除共享内存对象，类似于System V中的shmctl的IPC_RMID命令：

int shm_unlink(const char *name);

• name：共享内存对象的名称。

示例：

shm_unlink("/myshm"); // 删除共享内存对象

4. 共享内存的同步

共享内存本质上是多个进程之间的共享区域，因此需要同步机制以防止数据竞争。常见的同步方式包括信号量（semaphore）和互斥锁（mutex）。

示例： 可以使用POSIX信号量来同步共享内存的访问：

sem_t* sem = sem_open("/mysem", O_CREAT, 0666, 1);  // 创建信号量
sem_wait(sem);  // 进入临界区
// 访问共享内存
sem_post(sem);  // 离开临界区
sem_close(sem);  // 关闭信号量
sem_unlink("/mysem");  // 删除信号量

5. 总结

共享内存是Linux进程间通信中非常重要且高效的方式，既有POSIX标准的实现，也有传统的System V接口。通过共享内存，多个进程可以在不进行大量内核拷贝的情况下快速共享数据。不过，使用共享内存时需要注意进程间的同步，以避免数据不一致或竞争条件的发生。