第15章共享内存

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共享内存：进程间通信的“高速公路”

共享内存，说白了就是让两个或多个进程直接访问同一块物理内存。这是Linux下效率最高的IPC方式——没有之一。为什么？因为数据不需要在内核和用户空间之间来回拷贝，进程A写进去，进程B立马就能看到。

我在做视频流处理项目时，就吃过这个甜头。当时用管道传数据，CPU占用率居高不下，换成共享内存后，性能直接翻倍。嗯，今天我们就来聊聊这个“高速公路”怎么修、怎么用、怎么维护。

1. System V 共享内存：经典三件套

System V 共享内存是Unix老祖宗传下来的API，核心就四个函数：shmget、shmat、shmdt、shmctl。我习惯把它们叫做“创建-挂接-分离-控制”四步曲。

1.1 shmget：申请共享内存

这个函数负责创建或获取一块共享内存。原型长这样：

#include <sys/shm.h>

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

参数说明：

key：IPC键值，相当于共享内存的身份证号。可以用IPC_PRIVATE（私有）或ftok()生成。
size：共享内存大小（字节），必须是页大小的整数倍？其实不是，内核会向上对齐到页边界。
shmflg：权限标志，比如IPC_CREAT | 0666。

我的习惯：生产环境中尽量用ftok()生成key，别用IPC_PRIVATE。后者只能用于父子进程，跨进程通信时你会后悔的。

1.2 shmat：挂接到进程地址空间

拿到共享内存ID后，得把它映射到进程的虚拟地址空间才能用：

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

第二个参数通常传NULL，让内核帮你选地址。第三个参数可以传SHM_RDONLY表示只读挂接。

返回值就是共享内存的起始地址。嗯，这里要注意：返回的是void *，你需要自己强转成合适的结构体指针。

1.3 shmdt：分离共享内存

用完了记得分离：

int shmdt(const void *shmaddr);

分离不是删除！只是让当前进程不再访问这块内存。其他进程还能继续用。

1.4 shmctl：控制操作

这个函数功能很强大，可以查询状态、设置权限、删除共享内存：

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

常用的cmd：

IPC_STAT：获取共享内存的状态信息
IPC_SET：设置共享内存的权限
IPC_RMID：标记删除共享内存

我曾经踩过的坑：IPC_RMID只是标记删除，不是立即释放。只有当所有进程都分离后，内核才会真正回收。如果你在某个进程还在挂接时就调了shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)，这块内存会变成“僵尸”——新进程无法再挂接，但老进程还能正常读写。

2. 共享内存的同步问题

共享内存本身不提供任何同步机制。你想想看，两个进程同时写同一块内存，数据不就乱套了吗？

我在做多进程日志系统时，就遇到过这种问题。两个worker进程同时往共享内存写日志，结果日志内容互相穿插，根本没法看。

解决方案通常有两种：

2.1 信号量 + 共享内存

这是最经典的组合拳。用信号量保护共享内存的访问：

// 伪代码
struct shared_data {
    int counter;
    char buffer[1024];
};

// 进程A
sem_wait(&sem);  // P操作
shm_ptr->counter++;
strcpy(shm_ptr->buffer, "hello");
sem_post(&sem);  // V操作

// 进程B
sem_wait(&sem);
printf("%d: %s\n", shm_ptr->counter, shm_ptr->buffer);
sem_post(&sem);

2.2 原子操作

对于简单的计数器场景，可以用C11的原子操作：

#include <stdatomic.h>

struct shared_data {
    atomic_int counter;
    char buffer[1024];
};

// 原子递增
atomic_fetch_add(&shm_ptr->counter, 1);

  核心原则：共享内存只负责“共享”，不负责“同步”。同步是程序员自己的责任。千万别指望内核帮你做这件事。

3. System V vs POSIX 共享内存

Linux下有两套共享内存API：System V（老派）和POSIX（新派）。我刚开始学的时候也纠结过该用哪个，后来两个都用过，说说我的感受。

特性	System V 共享内存	POSIX 共享内存
创建方式	`shmget()` + `shmat()`	`shm_open()` + `mmap()`
命名方式	整数key（IPC键值）	文件名（/dev/shm下的文件）
大小限制	受`SHMMAX`内核参数限制	受文件系统大小限制
持久性	内核持久，直到被删除或重启	文件系统持久，重启后还在
接口复杂度	4个函数，稍显繁琐	2个函数，配合mmap使用
可移植性	所有Unix系统都支持	Linux/BSD支持，老Unix可能没有

我个人更推荐POSIX共享内存，原因有三：

接口更简洁，配合mmap用起来很顺手
用文件名命名，比整数key直观多了
可以像操作文件一样ftruncate调整大小

但如果你在维护老项目，或者需要跨平台兼容（比如AIX、HP-UX），System V还是得会。

4. POSIX 共享内存实战

来看一个完整的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

#define SHM_NAME "/my_shared_mem"
#define SHM_SIZE 4096

int main() {
    // 创建共享内存对象
    int fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("shm_open");
        exit(1);
    }

    // 设置大小
    ftruncate(fd, SHM_SIZE);

    // 映射到进程地址空间
    void *ptr = mmap(NULL, SHM_SIZE, 
                     PROT_READ | PROT_WRITE,
                     MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(1);
    }

    // 写入数据
    strcpy((char *)ptr, "Hello from POSIX shared memory!");

    // 清理
    munmap(ptr, SHM_SIZE);
    close(fd);
    shm_unlink(SHM_NAME);

    return 0;
}

小技巧：POSIX共享内存文件默认在/dev/shm目录下。你可以用ls -l /dev/shm查看当前系统上所有的共享内存对象。调试时特别有用。

5. 知识体系总览

下面这张图帮你理清共享内存的整个知识脉络：

共享内存是进程间通信的利器，但用不好就是一把双刃剑。记住三点：

效率最高，但需要自己处理同步
System V和POSIX两套API，选一个学透就行
调试时多用ipcs -m和ls /dev/shm查看状态

好了，共享内存就聊到这里。代码写得再多，不如自己动手跑一遍。找个项目试试，你会爱上这种“零拷贝”的快感。

📚 课程目录

共享内存：进程间通信的“高速公路”

1. System V 共享内存：经典三件套

1.1 shmget：申请共享内存

1.2 shmat：挂接到进程地址空间

1.3 shmdt：分离共享内存

1.4 shmctl：控制操作

2. 共享内存的同步问题

2.1 信号量 + 共享内存

2.2 原子操作

3. System V vs POSIX 共享内存

4. POSIX 共享内存实战

5. 知识体系总览