Linux：进程间通信技术

一、什么是共享内存？

共享内存就像是一块大家都能直接访问的公共黑板，不同的进程可以直接在这块黑板上读写数据。和传统的进程间通信方式相比，共享内存不需要在内核和进程之间反复拷贝数据，大大减少了数据传输的开销。想象一下，传统方式是把资料从一个部门复印一份再送到另一个部门，而共享内存则是让两个部门直接看同一份资料，效率自然高得多。所以，在实时数据处理、数据库缓存、图像处理这些对数据传输速度要求极高的场景中，共享内存就成了开发者们的首选。

二、共享内存是如何工作的？

以 Linux 系统为例，常见的共享内存实现方式有System V共享内存和POSIX共享内存，它们各有特点，下面我们分别来看其实现步骤。

1. System V 共享内存

创建或获取共享内存段：首先，我们需要用ftok函数生成一个唯一的 “钥匙”（键值），它根据一个已存在的文件路径和一个项目 ID 来生成，这个键值就像进入共享内存房间的钥匙。例如：

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#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t key = ftok(".", 'a');

有了 “钥匙” 后，就可以用shmget函数创建或获取共享内存段。如果是创建新的，需要指定共享内存的大小和权限：

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#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);

这里1024表示共享内存大小为 1024 字节，IPC_CREAT | 0666表示如果不存在就创建，并且设置读写权限为 0666。

附加共享内存段：创建好共享内存后，还需要用shmat函数把它 “连接” 到当前进程的地址空间，这样进程就能访问这块内存了：

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#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);

shmid是shmget返回的共享内存标识符，NULL表示让系统自动分配映射地址，0表示读写权限。

访问共享内存：连接成功后，就可以像操作普通内存一样，直接通过指针在共享内存里读写数据。

分离共享内存段：当进程不再需要使用共享内存时，要用shmdt函数把它从进程地址空间中分离出来。如果想要彻底删除共享内存段，可以使用shmctl函数，IPC_RMID命令会标记共享内存段为删除状态，等所有进程都分离后，系统就会真正删除它。

2. POSIX 共享内存

创建或打开共享内存对象：使用shm_open函数，通过一个名称来创建或打开共享内存对象，同时需要指定权限和文件模式：

#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
int shm_fd = shm_open("/my_shared_memory", O_CREAT | O_RDWR, 0666);

这里"/my_shared_memory"是共享内存对象的名称，O_CREAT | O_RDWR表示如果不存在则创建且以读写模式打开，0666是文件权限。

设置共享内存大小：使用ftruncate函数设置共享内存的大小：

1	ftruncate(shm_fd, 1024);

这里将共享内存大小设置为 1024 字节。

映射共享内存到进程地址空间：使用mmap函数将共享内存对象映射到进程的地址空间：

1	void *shmaddr = mmap(0, 1024, PROT_READ \| PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

0表示让系统自动选择映射地址，1024是共享内存大小，PROT_READ | PROT_WRITE表示可读可写，MAP_SHARED表示共享映射，shm_fd是shm_open返回的文件描述符，最后的0是偏移量。

访问共享内存：映射成功后，即可对共享内存进行读写操作。

解除映射与关闭共享内存对象：使用munmap函数解除共享内存的映射，使用shm_unlink函数删除共享内存对象名称，当所有进程都解除映射后，系统会自动释放共享内存资源：

1 2	munmap(shmaddr, 1024); shm_unlink("/my_shared_memory");

三、System V 与 POSIX 共享内存对比

对比项	System V 共享内存	POSIX 共享内存
创建方式	通过`ftok`生成键值，再用`shmget`创建，依赖文件系统路径和项目 ID	直接用`shm_open`通过名称创建，类似文件操作，更直观
函数接口	函数命名风格较传统，操作步骤多，如`shmget`、`shmat`等多个函数配合	函数接口更接近文件操作函数，如`shm_open`、`mmap`，概念更清晰
生命周期管理	删除需显式调用`shmctl`设置`IPC_RMID`，且要等待所有进程分离	使用`shm_unlink`删除名称，所有进程解除映射后自动释放，管理更简单
同步机制	本身不提供同步机制，需额外借助信号量等	可结合 POSIX 信号量、互斥锁等，与共享内存接口兼容性更好
跨平台性	主要在 UNIX 和 Linux 系统，跨平台性差	在 Linux、Mac 等多种系统广泛支持，跨平台性好

四、共享内存的优势与应用场景

优势

高效性：少了数据在内核和进程之间拷贝的步骤，读写速度极快，能大幅提升数据传输效率。
大数据量友好：对于需要传输大量数据的场景，共享内存完全能轻松应对，不会出现性能瓶颈。
灵活自由：作为公共缓冲区，进程可以根据自己的需求随意读写，方便进程间协作。

应用场景

实时数据处理：在股票交易、期货行情分析、传感器数据采集等实时性要求高的场景中，共享内存能快速传递数据，保证系统及时响应。
图像处理与视频处理：多个进程需要共享图像或视频数据时，共享内存能让数据共享变得高效，加快处理速度。
高性能计算：在大型模型训练、AI 计算等大规模数据共享场景下，共享内存能显著提升计算效率。
数据库系统：数据库通过共享内存可以快速交换数据，减少对硬盘的频繁访问，提升整体性能。

五、使用共享内存的注意事项

虽然共享内存很强大，但使用时也有不少 “坑” 需要注意：

数据同步与互斥：因为多个进程都能访问共享内存，就像多个人同时用一块黑板写字，如果不加以控制，就会出现数据混乱。所以需要使用信号量、互斥锁等同步机制，保证数据的一致性，避免竞态条件。
内存管理：共享内存的创建、连接、分离和删除都要妥善处理，不然容易出现内存泄漏，浪费系统资源，甚至引发程序崩溃。

六、示例代码

1. System V 共享内存示例代码

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string>

const int SHM_SIZE = 1024; // 共享内存大小

int main() {
    // 创建或获取共享内存
    key_t key = ftok(".", 'a');
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    // 附加共享内存
    char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (char *)-1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    // 写入数据到共享内存
    std::string message = "Hello, shared memory!";
    std::strcpy(shmaddr, message.c_str());

    // 分离共享内存
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt");
        return 1;
    }

    // 标记共享内存段为删除状态（所有进程分离后真正删除）
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("shmctl");
        return 1;
    }

    return 0;
}

2. POSIX 共享内存示例代码

#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <string>

const int SHM_SIZE = 1024; // 共享内存大小

int main() {
    // 创建或打开共享内存对象
    int shm_fd = shm_open("/my_shared_memory", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        perror("shm_open");
        return 1;
    }

    // 设置共享内存大小
    if (ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("ftruncate");
        return 1;
    }

    // 映射共享内存到进程地址空间
    void *shmaddr = mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    if (shmaddr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }

    // 写入数据到共享内存
    std::string message = "Hello, POSIX shared memory!";
    std::strcpy((char *)shmaddr, message.c_str());

    // 解除映射
    if (munmap(shmaddr, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("munmap");
        return 1;
    }

    // 关闭共享内存对象
    if (close(shm_fd) == -1) {
        perror("close");
        return 1;
    }

    // 删除共享内存对象名称
    if (shm_unlink("/my_shared_memory") == -1) {
        perror("shm_unlink");
        return 1;
    }

    return 0;
}