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进程间通信(IPC)----共享内存

java 2025/7/17 16:45:19

进程间通信（IPC）的共享内存机制允许不同进程直接访问同一块物理内存区域，是速度最快的IPC方式（无需数据拷贝）。

一、共享内存核心概念

1. 基本原理

共享内存区域：由内核管理的特殊内存段，可被多个进程映射到自身地址空间。
零拷贝：进程直接读写内存，无需通过内核缓冲区（如管道/消息队列需要）。
需同步：必须配合信号量/互斥锁等机制，避免数据竞争。

2. 生命周期

创建：shmget（System V）或 shm_open（POSIX）
映射：shmat 或 mmap
销毁：shmctl 或 shm_unlink

二、System V 共享内存基础示例

1. 创建共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65); // 生成唯一keyint shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT); // 创建1024字节共享内存char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0); // 映射到进程地址空间sprintf(str, "Hello Shared Memory!"); // 写入数据shmdt(str); // 解除映射return 0;
}

2. 另一个进程读取数据

int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65);int shmid = shmget(key, 1024, 0666);char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);printf("Data read: %s\n", str);shmdt(str);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 销毁共享内存return 0;
}

三、POSIX 共享内存进阶示例

1. 使用 `mmap` 和 `shm_open`

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main() {const char* name = "/my_shm";int fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666); // 创建POSIX共享内存对象ftruncate(fd, 1024); // 设置大小char *ptr = mmap(0, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);sprintf(ptr, "Hello POSIX SHM!");munmap(ptr, 1024);close(fd);shm_unlink(name); // 删除共享对象return 0;
}

2. 配合信号量同步

#include <semaphore.h>// 写入进程
sem_t *sem = sem_open("/my_sem", O_CREAT, 0666, 1); // 初始化信号量为1
sem_wait(sem); // P操作
sprintf(ptr, "New Data with Sync");
sem_post(sem); // V操作// 读取进程
sem_t *sem = sem_open("/my_sem", 0);
sem_wait(sem);
printf("Data: %s", ptr);
sem_post(sem);

四、深入理解共享内存

1. 性能优势场景

大数据传输：如视频处理、科学计算
实时性要求高：高频交易系统

2. 风险与缺陷

数据竞争：必须强制同步
内存泄漏：需显式销毁共享段
安全风险：所有进程均可访问

3. 高级技术扩展

匿名共享内存：mmap 使用 MAP_ANONYMOUS，适用于父子进程
共享内存数据库：Redis的持久化内存设计
跨网络共享内存：如RDMA（远程直接内存访问）

五、关键系统调用对比

函数	用途	System V	POSIX
`shmget`	创建/获取共享内存	✔️	❌
`shmat`	映射共享内存	✔️	❌
`shmdt`	解除映射	✔️	❌
`mmap`	内存映射文件/共享内存	❌	✔️
`shm_open`	创建POSIX共享内存对象	❌	✔️