进程通信之共享内存

• C语言当中的内存分区

内存映射

内存分配

• Linux内核为进程分配内存空间
  • 虚拟内存管理：Linux使用虚拟内存管理，每个进程都有独立的虚拟地址空间，通常分为用户空间和内核空间。用户空间供进程使用，内核空间由内核管理
  • 内存描述符 (mm_struct)：每个进程的虚拟内存信息由mm_struct结构体管理，包含内存映射、堆、栈等信息
  • 内存映射：进程的内存映射通过vm_area_struct结构体描述，记录虚拟内存区域的起始、结束地址、权限等，常见的内存区域包括：
    • 代码段：存放可执行代码
    • 数据段：存放全局和静态变量
    • 堆：动态分配的内存
    • 栈：用于函数调用和局部变量
  • 内存分配：内存分配主要通过以下系统调用：
    • brk和sbrk：调整堆的大小
    • mmap：创建新的内存映射，可用于文件映射或匿名内存分配
  • 缺页异常处理：当进程访问未映射的虚拟内存时，触发缺页异常，内核通过以下步骤处理：
    • 检查访问权限：确认访问是否合法
    • 分配物理内存：若合法，分配物理页并更新页表
    • 恢复执行：进程继续执行
  • 页面回收：当物理内存不足时，内核通过页面回收机制释放内存，包括：
    • 页面置换：将不常用的页面换出到交换空间
    • 内存压缩：压缩内存页以减少使用
  • 内核内存分配：内核使用kmalloc、vmalloc等函数分配内存
    • kmalloc用于小块连续内存
    • vmalloc用于大块不连续内存

内存布局

• Linux 进程内存布局
  • 代码段 (Text)：存放可执行代码
  • 数据段 (Data)：全局变量和静态变量
  • BSS段：未初始化的全局变量
  • 堆 (Heap)：动态分配的内存（malloc/free）
  • 栈 (Stack)：函数调用、局部变量
  • 共享库：动态链接库映射区域

mmap() 系统调用

• mmap() 是 Linux/Unix 下核心的系统调用，用于将文件或共享内存对象映射到当前进程的虚拟地址空间，映射完成后，进程可通过直接操作虚拟内存的方式读写文件 / 共享内存，无需调用 read()/write() 等传统 I/O 函数，效率更高

#include<sys/mman.h>void*mmap(void*addr,size_tlength,intprot,intflags,intfd,off_toffset);

• addr：建议映射地址（通常为NULL，由内核决定）
• length：映射长度
• prot：保护标志（PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC）
• flags：映射类型和选项
• fd：文件描述符（匿名映射时为-1）
• offset：文件偏移量

// 配套的解除映射函数intmunmap(void*addr,size_tlength);

• 用于解除 mmap() 建立的内存映射，释放进程虚拟地址空间

查看进程内存映射

# 查看进程的内存映射cat/proc/<PID>/maps# 示例输出00400000-00401000 r-xp 000060000 08:01123456/bin/program# 代码段00600000-00601000 rw-p 00000000 08:01123456/bin/program# 数据段7ffff7a00000-7ffff7bc1000 r-xp 00000000 08:01789012/lib/libc.so.6

mmap()四种映射方式

• 按数据来源分类：

私有文件映射 (MAP_PRIVATE)

• 用途：用文件内容初始化内存（如可执行文件加载）
• 变更对其他进程不可见，不会写回文件
• 常用于只读数据共享

私有匿名映射 (MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS)

• 用途：分配新内存（malloc() 大块内存时使用）
• 初始化为0，变更私有
• 代替 brk() 分配大内存

共享文件映射 (MAP_SHARED)

• 用途：内存映射I/O、进程间通信
• 变更对其他进程可见，会写回文件
• 高效的文件读写方式

共享匿名映射 (MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS)

• 用途：相关进程间共享内存
• 无文件支持，纯内存共享
• 必须相关进程（如父子进程）

文件映射进程通信

实现原理

• 多个进程映射同一文件的同一区域
• 使用 MAP_SHARED 标志
• 对映射区域的修改会同步到文件和其他进程

实现代码

• 发送端

#include<fcntl.h>#include<sys/mman.h>#include<stdio.h>structstudent{charname[32];intage;floatscore;}*p;intmain(){intfd=open("stu.bin",O_RDWR|O_CREAT,0666);// 将文件映射到内存p=mmap(NULL,sizeof(structstudent),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);// 持续更新分数while(1){scanf("%f",&p->score);}munmap(p,sizeof(structstudent));return0;}

• 接收端

#include<fcntl.h>#include<sys/mman.h>#include<stdio.h>structstudent{charname[32];intage;floatscore;}*p;intmain(){intfd=open("stu.bin",O_RDWR);p=mmap(NULL,sizeof(structstudent),PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);floatlast_score=p->score;printf("当前分数：%.2f\n",p->score);while(1){if(p->score!=last_score){printf("分数变更为：%.2f\n",p->score);last_score=p->score;}sleep(1);}munmap(p,sizeof(structstudent));return0;}

匿名共享内存实现通信

#include<sys/mman.h>#include<string.h>intmain(){// 创建匿名共享映射char*shm=mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);strcpy(shm,"Hello from parent");if(fork()==0){// 子进程读取printf("Child: %s\n",shm);exit(0);}wait(NULL);munmap(shm,4096);return0;}

POSIX 共享内存进程通信

POSIX共享内存API

创建 / 打开 POSIX 共享内存对象

intshm_open(constchar*name,intoflag,mode_tmode);

• name：系统级唯一标识名，命名规则严格：必须以 / 开头，且后续不能再包含其他 /（例如 /my_shm 合法，/my/shm 非法）
• oflag：打开 / 创建标志，可通过 按位或组合多个标志，O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_CREAT、O_EXCL、O_TRUNC
• mode：仅当 oflag 包含 O_CREAT 时有效，用于指定新共享内存对象的访问权限，取值与 open()、mq_open() 权限一致，最终实际权限会被进程的 umask 掩码修正（实际权限 = mode & ~umask）、若不使用 O_CREAT，该参数可传入 0（仅为占位，无实际意义）
• 返回值：
  • 成功：返回一个有效的文件描述符（非负整数），后续对共享内存的操作（ftruncate、mmap 等）均依赖该文件描述符
  • 失败：返回 -1，同时设置全局变量 errno 指示错误原因（例如 EEXIST：O_CREAT|O_EXCL 时共享内存已存在；ENOENT：对象不存在且未指定 O_CREAT；EINVAL：name 命名格式非法）

调整共享内存大小

intftruncate(intfd,off_tlength);

• fd：有效的文件描述符，此处必须是由 shm_open() 成功返回的共享内存对象描述符（且需拥有可写权限，即 shm_open() 时指定了 O_WRONLY 或 O_RDWR）
• length：共享内存对象调整后的目标字节长度（非负整数）
  • 若 length 小于当前共享内存的大小：超出 length 的部分数据会被丢弃，内存空间被回收
  • 若 length 大于当前共享内存的大小：扩展的部分会被初始化为 0，新增的内存空间可被后续 mmap 映射使用
  • 共享内存创建后默认长度为 0，必须通过 ftruncate() 设定有效大小，否则无法正常映射使用
• 返回值：
  • 成功：返回 0，表示共享内存对象的大小已成功调整为 length 字节
  • 失败：返回 -1，同时设置全局变量 errno 指示错误原因 （例如<font style="color:rgb(31, 35, 41);background-color:rgba(0, 0, 0, 0);">EBADF</font>：无效的文件描述符或无写权限；<font style="color:rgb(31, 35, 41);background-color:rgba(0, 0, 0, 0);">EINVAL</font>：<font style="color:rgb(31, 35, 41);background-color:rgba(0, 0, 0, 0);">length</font>为负数，或描述符对应对象不支持大小调整；<font style="color:rgb(31, 35, 41);background-color:rgba(0, 0, 0, 0);">ENOSPC</font>：系统无足够资源满足大小扩展需求）

删除共享内存对象

intshm_unlink(constchar*name);

• name：与 shm_open() 中一致的共享内存对象唯一标识名，标识要删除的目标共享内存对象，名称必须对应系统中已存在的共享内存
• 返回值：
  • 成功：返回 0，表示共享内存对象的「链接」已被成功移除
  • 失败：返回 -1，同时设置全局变量 errno 指示错误原因 （例如 ENOENT：指定名称的共享内存对象不存在；EINVAL：name 命名格式非法）

使用流程

• shm_open() 创建/打开共享内存对象
• ftruncate() 设置大小
• mmap() 映射到进程地址空间
• 读写操作
• munmap() 取消映射
• shm_unlink() 删除对象（可选）

实现代码

• 发送端

#include<fcntl.h>#include<sys/mman.h>#include<stdio.h>intmain(){// 1. 创建共享内存对象intfd=shm_open("/myshm",O_RDWR|O_CREAT,0666);// 2. 设置大小ftruncate(fd,4096);// 3. 映射到内存char*str=mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);close(fd);// 关闭文件描述符// 4. 写入数据sprintf(str,"Hello from sender\n");sleep(10);// 保持映射// 5. 清理munmap(str,4096);return0;}

• 接收端

#include<fcntl.h>#include<sys/mman.h>#include<stdio.h>intmain(){// 1. 打开共享内存对象intfd=shm_open("/myshm",O_RDONLY,0666);// 2. 映射到内存char*str=mmap(NULL,4096,PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);close(fd);// 3. 读取数据printf("Received: %s",str);// 4. 清理munmap(str,4096);shm_unlink("/myshm");// 删除共享内存对象return0;}

System V 共享内存进程通信

POSIX 共享内存API

创建 / 获取共享内存

intshmget(key_tkey,size_tsize,intshmflg);

• key：用于标识系统级唯一共享内存段的键值，手动指定一个非负整数 ，不同进程使用相同 key 可访问同一个共享内存段。用 IPC_PRIVATE（值为 0）创建一个仅当前进程可见的私有共享内存段（通常用于父子进程间通信），可通过 ftok() 函数生成基于文件路径和项目 ID 的唯一 key，避免手动指定冲突
• size：共享内存段的目标字节大小（非负整数）。若为创建新共享内存段，必须指定有效的 size，例如 4096；若为获取已存在的共享内存段（仅用 key 匹配现有段），size 可指定为 0（无需匹配大小，仅用于标识获取操作）
• shmflg：打开 / 创建标志，可通过 按位或组合多个标志，O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_CREAT、O_EXCL、O_TRUNC
• 返回值：
  • 成功：返回一个有效的 共享内存段 ID（shmid，非负整数），后续所有对该共享内存的操作（shmat/shmdt/shmctl）均依赖该 ID
  • 失败：返回 -1，同时设置全局变量 errno 指示错误原因（例如 EEXIST：IPC_CREAT|IPC_EXCL 时内存段已存在；ENOENT：无对应 key 的内存段且未指定 IPC_CREAT；ENOMEM：系统无足够内存创建新段；EINVAL：size 无效或超出系统限制）

附加到进程地址空间

void*shmat(intshmid,constvoid*shmaddr,intshmflg);

• shmid： 由<font style="color:rgb(31, 35, 41);background-color:rgba(0, 0, 0, 0);">shmget()</font>成功返回的**共享内存段 ID**，标识要附加的目标共享内存段（需有效且当前进程有访问权限）
• shmaddr： 指定共享内存段映射到当前进程地址空间的起始地址。常用取值NULL（推荐），由系统自动选择合适的空闲地址进行映射，避免手动指定地址导致冲突或无效；若手动指定非 NULL 地址：需保证地址对齐（符合内存页要求）
• shmflg： 附加模式标志
  • 0（默认：以读写模式附加共享内存段（需当前进程拥有该内存段的读写权限），常传入 0 即可满足大部分需求
  • SHM_RDONLY：以只读模式附加共享内存段（需当前进程拥有该内存段的读权限），此时进程无法修改共享内存中的数据
  • SHM_REMAP：仅当 shmaddr 非 NULL 时有效，替换当前进程 shmaddr 地址处已存在的映射（覆盖原有映射）
• 返回值：
  • 成功：返回共享内存段映射到当前进程地址空间的起始虚拟地址（void * 类型），进程可通过该地址访问共享内存数据
  • 失败：返回 -1，同时设置全局变量 errno 指示错误原因

分离共享内存

intshmdt(constvoid*shmaddr);

• shmaddr： 由 shmat() 成功返回的共享内存段映射起始地址，标识要分离的内存映射区域。必须是 shmat() 返回的原始地址，不能是偏移后的地址
• 返回值：
  • 成功：返回 0，表示共享内存段已成功与当前进程分离
  • 失败：返回 -1，同时设置全局变量 errno 指示错误原因

控制操作（ 含删除、查询、修改 ）

intshmctl(intshmid,intcmd,structshmid_ds*buf);

• shmaddr： 由 shmget() 成功返回的共享内存段 ID，标识要进行控制操作的目标共享内存段（需有效且当前进程有对应操作权限）
• cmd：要执行的控制命令：
  • IPC_STAT：查询共享内存段的属性信息，将属性写入 buf 指向的 struct shmid_ds 结构体中（buf 不能为 NULL）
  • IPC_SET：修改共享内存段的属性，仅能修改 struct shmid_ds 中的 shm_perm.uid、shm_perm.gid、shm_perm.mode 字段（需进程拥有对应权限，buf 不能为 NULL）
  • IPC_RMID：删除共享内存段，此时 buf 可指定为 NULL（无意义，无需传入）
• buf：指向 struct shmid_ds 结构体的指针，用于存储或修改共享内存段的属性
• 返回值：
  • 成功：返回 0
  • 失败：返回 -1，同时设置全局变量 errno 指示错误原因

实现代码

• 发送端

#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#include<string.h>intmain(){// 1. 生成键值key_tkey=ftok("shmfile",65);// 2. 创建共享内存intshmid=shmget(key,1024,0666|IPC_CREAT);// 3. 附加到进程char*shm=shmat(shmid,NULL,0);// 4. 写入数据strcpy(shm,"Hello from System V");// 5. 分离shmdt(shm);return0;}

• 接收端

#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#include<stdio.h>intmain(){key_tkey=ftok("shmfile",65);// 获取现有共享内存intshmid=shmget(key,1024,0666);// 附加到进程char*shm=shmat(shmid,NULL,0);// 读取数据printf("Received: %s\n",shm);// 分离并删除shmdt(shm);shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);return0;}

共享内存数据竞争问题

• 多个进程同时读写共享内存会导致数据不一致：

// 进程1int*data=shmat(shm_id,NULL,0);*data=10;while(*data!=0);// 等待进程2// 此时进程2可能也在修改data

解决方案

• 信号量 (Semaphore)
• 互斥锁 (Mutex) - 配合共享内存使用
• 条件变量 (Condition Variable)
• 文件锁 (fcntl)

#include<semaphore.h>#include<sys/mman.h>// 在共享内存中定义同步结构structshared_data{sem_tsem;// 信号量intvalue;// 共享数据};// 初始化sem_init(&data->sem,1,1);// 进程间共享，初始值1// 使用sem_wait(&data->sem);// 加锁data->value++;// 临界区操作sem_post(&data->sem);// 解锁

对比