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共享内存【Linux操作系统】

news 来源：原创 2025/6/10 15:08:05

文章目录

共享内存
- 共享内存的原理
- 共享内存相关函数和系统调用--systemV
- - 系统调用：shmget
  - 系统调用：shmctl
  - 系统调用：shmat
  - 系统调用：shmdt
  - 系统调用：ftok
- 共享内存相关函数和系统调用--POSIX
- - shm_open-- 创建或打开共享内存对象
  - ftruncate - 设置共享内存大小
  - mmap - 内存映射
  - munmap - 解除内存映射
  - shm_unlink - 删除共享内存对象
  - close-关闭文件描述符
  - 完整使用流程
  - - 创建/写入进程
    - 读取进程
  - 常见错误处理
- 深刻理解共享内存
- - 用户设置的key冲突了怎么办？
  - 共享内存的生命周期
  - 共享内存的key和shmid的区别
  - 操作系统对物理内存进行任何操作时，都是以固定大小（一般是4kb）为基本单位进行操作的
- 共享内存的特点
- - 共享内存是最快的进程间通信的形式了
  - 使用共享内存需要我们自己进行同步互斥

共享内存

共享内存的原理

就是使用系统调用开辟一块物理内存，这块物理内存就是共享内存

然后把它的起始地址通过进程的页表，与要通信的进程的共享区建立映射关系

最后，一个进程向自己的共享区中的共享内存读，一个进程向自己的共享区中的共享内存写，就可以实现进程间通信了

以后不再使用共享内存时，就直接把进程页表里面的映射关系去掉，也就是去关联
再把struct vm_area_struct链表里面的节点释放
至于共享内存，它的生命周期随内核，即如果用户不使用系统调用释放它，直到操作系统关机之前它会一直存在

在这里插入图片描述

共享内存可以同时在物理内存中存在很多份
而且某一个共享内存正在被那些进程使用，某个共享内存什么时候释放等等问题
操作系统都要知道
所以操作系统也要对所有的共享内存进行管理
所以要对共享内存，先描述再组织
所以
共享内存=共享内存的内核数据结构+共享内存对应的物理内存块

共享内存相关函数和系统调用–systemV

系统调用：shmget

头文件：sys/ipc.h和sys/shm.h
返回值：
①成功就返回一个共享内存标识符[shmid]
②失败返回-1

参数：
①key_t key：唯一标识共享内存

②size_t size：共享内存的大小

③int shmflag：int类型的位图标志位

.IPC_CREAT：单独使用的话如果对应的共享内存不存在，就创建。存在就返回shmid
该选项主要给获取共享内存的进程使用
IPC_EXCL：不能单独使用
但是
IPC_CREAT | IPC_EXCL：
如果对应的共享内存不存在，就创建并在页表建立映射关系
存在就报错
该选项主要给创建共享内存的进程使用

3.共享内存的权限，也是rwx，用4个8进制位表示（例：0666）
共享内存创建的时候必须指定权限！！！
不然直接报错，根本用不了

作用：创建一块共享内存

系统调用：shmctl

头文件：sys/shm.h和sys/ipc.h
返回值：
①成功，返回共享内存的key
②失败，返回-1
参数表：
①int shmid：共享内存描述符
②int cmd：位图标志位
IPC_RMID：释放共享内存

③struct shmid_ds*bf：输出型参数，可以把共享内存的相关属性带出来

作用：
根据cmd标志位的不同，对共享内存进行不同操作

系统调用：shmat

头文件：sys/shm.h和sys/types.h
返回值：void*
①成功，返回共享内存的起始地址（类似malloc的返回值）
②失败，返回（viod*）-1

参数表：
①int shmid：共享内存描述符

②const void*shmaddr：用户指定的虚拟起始地址[不过我们一般不用，所有一般是nullptr]

③int shmflag：位图标志位，表示共享内存的读写等权限（我们一般也不管，因为共享内存基本是用来通信的，所以设置成0就行）

作用：
把指定的共享内存挂接到进程地址空间中

系统调用：shmdt

头文件：sys/shm.h和sys/types.h
返回值：int
①成功，
②失败，返回-1
参数表：
const void *shmaddr：共享内存的虚拟起始地址（也就是shmat的返回值）

作用：
把共享内存从当前进程的共享区中去掉，也就是去除页表映射

系统调用：ftok

头文件：sys/types.h和sys/ipc.h
返回值：
①成功，返回共享内存的key
②失败，返回-1
参数表：
①cosnt char*name：带路径的项目文件名

②int id：项目id
参数①和参数②都是用户自己随便设置

作用：使用参数1和参数2并结合一定算法，求出一个key返回

共享内存相关函数和系统调用–POSIX

相较于传统的 System V 共享内存，POSIX 共享内存接口更简洁且符合现代编程习惯
而且，POSIX 共享内存是基于文件描述符的

shm_open-- 创建或打开共享内存对象

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

作用：创建或打开一个共享内存对象（类似文件操作）
参数：
- name：共享内存对象名称，必须以 / 开头（如 /my_shm）
- oflag：标志位
  如 O_CREAT | O_RDWR：如果对应的共享内存不存在，就创建。存在就返回shmid
  O_RDONLY：获取共享内存
- mode：权限位（如 0666）
返回值：成功返回文件描述符（fd），失败返回 -1

示例：

int fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_RDWR, 0666); 创建共享内存

ftruncate - 设置共享内存大小

#include <unistd.h>int ftruncate(int fd, off_t length);

作用：调整共享内存对象的大小（必须调用，否则无法映射）
参数：
- fd：shm_open 返回的文件描述符
- length：共享内存大小（字节）

mmap - 内存映射

#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

作用：将共享内存映射到进程的虚拟地址空间
参数：
- addr：映射起始地址（通常设为 NULL，由内核选择）
- length：映射长度（应与 ftruncate 设置的一致）
- prot：保护模式（如 PROT_READ | PROT_WRITE）
- flags：映射标志（MAP_SHARED 用于共享内存）
- fd：shm_open 返回的文件描述符
- offset：偏移量（通常为 0）
返回值：成功返回映射后的内存地址，失败返回 MAP_FAILED

示例：

char *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

munmap - 解除内存映射

#include <sys/mman.h>int munmap(void *addr, size_t length);

作用：解除内存映射，释放进程内的虚拟内存关联
参数：
- addr：mmap 返回的地址
- length：映射长度

shm_unlink - 删除共享内存对象

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

作用：删除共享内存对象（类似 unlink 文件）
参数：
- name：共享内存对象名称（与 shm_open 一致）
示例：
```
shm_unlink("/my_shm");
```

close-关闭文件描述符

#include <unistd.h>int close(int fd);

作用：关闭 shm_open 返回的文件描述符（解除进程与共享内存的关联）。
示例：
```
close(fd);
```

完整使用流程

创建/写入进程

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {// 1. 创建共享内存对象int fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_RDWR, 0666);if (fd == -1) { perror("shm_open"); return 1; }// 2. 设置共享内存大小if (ftruncate(fd, 4096) { perror("ftruncate"); return 1; }// 3. 映射到进程地址空间char *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (ptr == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return 1; }// 4. 写入数据strcpy(ptr, "Hello from Process A!");// 5. 解除映射（可选，进程退出时自动解除）munmap(ptr, 4096);close(fd);return 0;
}

读取进程

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {// 1. 打开共享内存对象int fd = shm_open("/my_shm", O_RDONLY, 0);if (fd == -1) { perror("shm_open"); return 1; }// 2. 映射到进程地址空间char *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);if (ptr == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return 1; }// 3. 读取数据printf("Received: %s\n", ptr);// 4. 清理资源munmap(ptr, 4096);close(fd);shm_unlink("/my_shm"); // 由最后一个使用进程删除return 0;
}

常见错误处理

错误场景	处理方法
`shm_open` 失败	检查名称格式（是否以 `/` 开头）、权限是否足够
`ftruncate` 失败	确保文件描述符有效且有写入权限
`mmap` 失败	检查 `length` 是否与 `ftruncate` 设置一致

深刻理解共享内存

共享内存和命名管道一样，需要一个进程使用系统调用先行创建

共享内存也有和文件一样有拥有者所属组rwx权限，而且也是使用3个8进制表示
共享内存如果不指定权限，创建之后默认权限为000，即啥都干不了

systemV共享内存的key是由用户自己提供的
为什么要用户提供key，而不是内核自己维护？
因为物理内存中的共享内存不止一块
假设物理内存中一共3块共享内存，分别为共享内存1，2，3
进程A又创建了一块共享内存，是共享内存4

但是进程B想和进程A通信，进程B调用shmget的时候，得先知道进程A创建的共享内存是哪一块呀！是共享内存1，2还是3？

所以只能通过共享头文件把key告诉进程B
由操作系统自己维护的话，进程B调用shmget的时候，操作系统怎么知道该给进程B那块共享内存？
更何况要与它通信的进程可能都还没创建出来

为什用户提供的key，两个要通信的进程都能看到呢？
因为用户是通过：
①创建一个共享头文件，在两个进程编译之前，就在头文件里面定义了项目路径和项目id

②要通信的进程只需要在编译链接的时候都包含头文件，就可以看到相同的项目路径和项目id，运行的时候传给ftok就可以获得同一个key了

用户设置的key冲突了怎么办？

如果与已经存在的共享内存的key冲突了
就只能由程序员自己手动修改源代码

但是
用户设置的key一般也不是随便设置的
而是通过ftok函数生成，所以冲突的概率其实很低
在这里插入图片描述

如果使用ftok函数生成的key还冲突了，就只能由用户手动修改共享头文件中保存的项目id或者项目路径了

共享内存的生命周期

共享内存的生命周期随内核，即如果用户不使用系统调用释放它，直到操作系统关机之前它会一直存在
所以进程使用系统调用创建了共享内存，就必须再使用系统调用释放共享内存
不然就会内存泄露

共享内存的key和shmid的区别

①shmid：是只给用户[用户的进程]操作共享内存提供的唯一标识符

②key：是只给操作系统内核操作共享内存的唯一标识符

操作系统对物理内存进行任何操作时，都是以固定大小（一般是4kb）为基本单位进行操作的

如果用户申请的物理内存不是4kb的整数倍（比如用户申请了5kb），那么操作系统依然会以4kb的整数倍给用户（即给用户8kb的物理内存）但是会以类似权限的方式，让用户看不到，用不了那多出来的空间（即用户确实只能使用8-3=5kb的空间）

因为操作系统不想背锅，用户让操作系统干嘛操作系统就干嘛

共享内存的特点

共享内存是最快的进程间通信的形式了

因为一旦共享内存区形成，进程使用共享内存就和使用自己进程地址空间的堆区内存一样了
不再涉及操作系统内核，也就是进程通信时，不需要使用系统调用
因为拷贝次数少
管道通信时，从外设来的数据要拷贝到进程的地址空间中
要使用write把用户进程地址空间（栈区/堆区等）中的数据拷贝到内核文件缓冲区
再使用read拷贝到进程B的进程地址空间中，再拷贝到外设
需要4次拷贝
而共享内存通信
只需要把外设来的数据拷贝到共享区中的共享内存，进程B就直接可以通过页表看见这个数据了，不需要再拷贝了
最后再拷贝到外设
只需要2次拷贝

使用共享内存需要我们自己进行同步互斥

通过共享内存的原理我们可以知道

共享内存是真正地让两个进程共用同一份资源（内存块），并且它没有对共享内存做任何类似管道的保护机制

要对共享内存中的共享资源进行保护，就会有数据不一致问题
得由用户（进程）自己手动保护[利用信号量，条件变量]

共享内存【Linux操作系统】

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