Linux共享内存实例详解
共享内存是Linux系统中最高效的进程间通信（IPC）机制之一，它允许多个进程直接读写同一块物理内存区域，避免了数据在内核空间与用户空间之间的频繁拷贝，从而显著提升通信效率，本文将通过具体实例，详细介绍Linux共享内存的原理、API使用及实际应用场景。
共享内存的基本原理
共享内存的核心理念是通过将一段物理内存映射到多个进程的虚拟地址空间中，实现进程间的数据共享，与管道、消息队列等IPC机制不同，共享内存不涉及内核的额外干预，进程直接操作内存，因此速度最快，但这也带来了同步问题：多个进程同时读写同一块内存时，可能导致数据不一致，共享内存通常需要配合信号量、互斥锁等同步机制使用。
在Linux中，共享内存的实现依赖于内核提供的shm（shared memory）子系统，主要涉及以下关键概念：
- 共享内存段（Shared Memory Segment）：由内核创建的一块连续物理内存，通过唯一的标识符（IPC键）或ID访问。
- IPC键与ID：IPC键（
key_t）是用户指定的唯一标识，用于创建或获取共享内存段；IPC ID是内核分配的内部标识，实际操作中通过ID访问共享内存。
共享内存的核心API
Linux提供了多种操作共享内存的系统调用，主要包括shmget、shmat、shmdt和shmctl。
创建或获取共享内存段：shmget
#include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
- 参数：
key：IPC键，若为IPC_PRIVATE，则创建新的共享内存段；size：共享内存大小（字节）；shmflg：权限标志，如IPC_CREAT（创建新段）、IPC_EXCL（与IPC_CREAT配合使用，确保创建新段）及权限位（如0644）。
- 返回值：成功返回共享内存ID，失败返回-1。
示例：创建大小为1KB的共享内存段，权限为读写。
key_t key = ftok("/tmp", 'A'); // 生成IPC键
int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);
if (shmid == -1) {
perror("shmget failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
附着共享内存：shmat
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
- 参数：
shmid：共享内存ID；shmaddr：指定附着地址，通常为NULL（由内核自动选择）；shmflg：权限标志，如SHM_RDONLY（只读附着）。
- 返回值：成功返回共享内存起始地址，失败返回
(void *)-1。
示例：将共享内存段附着到进程地址空间。
char *shm_ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
if (shm_ptr == (void *)-1) {
perror("shmat failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
分离共享内存：shmdt
int shmdt(const void *shmaddr);
- 参数：
shmaddr为shmat返回的地址。 - 返回值：成功返回0，失败返回-1。
示例：分离共享内存。
if (shmdt(shm_ptr) == -1) {
perror("shmdt failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
控制共享内存：shmctl
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
- 参数：
cmd：操作命令，如IPC_STAT（获取属性）、IPC_SET（设置属性）、IPC_RMID（删除共享内存段）；buf：指向shmid_ds结构的指针，用于存储或修改属性。
- 返回值：成功返回0，失败返回-1。
示例：删除共享内存段。
if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
perror("shmctl failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
共享内存实例：生产者-消费者模型
以下通过一个简单的生产者-消费者模型，演示共享内存的使用，生产者进程向共享内存写入数据，消费者进程读取数据。
生产者代码（producer.c）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define SHM_SIZE 1024
int main() {
key_t key = ftok("/tmp", 'A');
int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
if (shmid == -1) {
perror("shmget failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
char *shm_ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
if (shm_ptr == (void *)-1) {
perror("shmat failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
strcpy(shm_ptr, "Hello from producer!");
printf("Producer: Data written to shared memory.\n");
if (shmdt(shm_ptr) == -1) {
perror("shmdt failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}
消费者代码（consumer.c）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define SHM_SIZE 1024
int main() {
key_t key = ftok("/tmp", 'A');
int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
if (shmid == -1) {
perror("shmget failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
char *shm_ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
if (shm_ptr == (void *)-1) {
perror("shmat failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Consumer: Data read from shared memory: %s\n", shm_ptr);
if (shmdt(shm_ptr) == -1) {
perror("shmdt failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
// 删除共享内存段
if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
perror("shmctl failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}
编译与运行
gcc producer.c -o producer gcc consumer.c -o consumer ./producer ./consumer
输出结果：
Producer: Data written to shared memory.
Consumer: Data read from shared memory: Hello from producer! 共享内存的同步问题
上述实例未处理同步问题，若生产者与消费者并发执行，可能导致数据竞争，实际应用中，需结合信号量或互斥锁实现同步，使用信号量确保消费者仅在数据就绪时读取：
#include <sys/sem.h>
// 初始化信号量
int semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 0666);
semctl(semid, 0, SETVAL, 0); // 初始值为0（资源不可用）
// 生产者写入数据后，释放信号量
struct sembuf op = {0, 1, 0};
semop(semid, &op, 1);
// 消费者等待信号量
op.sem_op = -1;
semop(semid, &op, 1);
共享内存的优缺点及应用场景
优点：
- 通信速度最快，无内核干预。
- 适合大数据量、高频次数据交换的场景。
缺点：
- 需要手动同步，否则易引发数据竞争。
- 生命周期随内核，需显式删除，否则可能造成内存泄漏。
应用场景：
- 数据库系统（如共享缓存区）。
- 高性能计算（进程间数据交换）。
- 实时系统（低延迟通信）。
共享内存是Linux IPC中性能最优的机制，通过合理使用shmget、shmat、shmdt和shmctl等API，可实现高效的数据共享，但在实际应用中，必须注意同步问题，避免数据不一致，结合信号量或互斥锁,可构建稳定可靠的共享内存通信系统。
