Linux-IPC-共享内存

news/2025/2/28 15:04:08/

Linux IPC 之 共享内存（Shared Memory）

共享内存（Shared Memory）是Linux 进程间通信（IPC）的一种方式，它允许多个进程访问同一块内存区域，从而避免频繁的数据复制，提高效率。Linux 提供了 SysV 共享内存 和 POSIX 共享内存 两种主要机制。

  • 其他Linux进程间通信机制（IPC）之 《消息队列》

共享内存技术类别

  1. SysV 共享内存

System V 共享内存（shmget / shmat / shmdt / shmctl）是最早的一种共享内存实现，基于 IPC 机制，使用起来复杂。SysV 共享内存 适用于老系统，但 API 复杂。

  1. POSIX 共享内存

POSIX 共享内存（shm_open / mmap / shm_unlink）是较新的方式，提供更好的权限控制和文件描述符操作。POSIX 共享内存 更易用，推荐用于现代应用。

共享内存技术实现

由于现代应用几乎都用POSIX标准，所以下面只会对POSIX进行探究。

POSIX 共享内存（shm_open / mmap / shm_unlink）是较新的方式，提供更好的权限控制和文件描述符操作。

使用步骤

1. 创建或打开共享内存
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);
  • name：共享内存对象的名称（如 “/shm_example”）
  • oflag：
    • O_CREAT | O_RDWR：创建并读写
    • O_RDONLY 只读
  • mode：权限（如 0666 八进制）
  • 返回值：成功时返回文件描述符 fd
  • 创建共享内存成功后会在/dev/shm/下出现创建的共享内存对象的名称
  • 调用 shm_open 时并不会指定内存的实际大小。
2. 调整共享内存大小

ftruncate 是一个系统调用，用于调整由文件描述符指定的文件或共享内存对象的大小。它通常用于在操作文件或内存映射时调整文件大小。对于共享内存对象，它的功能是调整映射的内存区域的大小。

  • 设定共享内存大小
int ftruncate(int fd, off_t length);

参数说明

  • fd：一个有效的文件描述符，可以是普通文件、设备文件或共享内存对象的文件描述符。共享内存对象通常通过 shm_open 获取。

  • length：文件或共享内存对象的新大小（字节）。如果 length 小于当前大小，则文件或内存区域会被截断；如果 length 大于当前大小，则文件或共享内存对象会被扩展。

返回值

  • 返回 0 表示成功。
  • 如果失败，返回 -1 并将 errno 设置为相应的错误代码。

其他

  • 在调用 ftruncate 扩展共享内存对象的大小后，通常需要使用 mmap 映射更新后的大小。
3. 映射到进程地址空间
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
  • addr：通常设为 NULL
  • length：大小
  • prot：
    • PROT_READ 只读
    • PROT_WRITE 可写
  • flags = MAP_SHARED 共享映射
  • fd：shm_open 返回的文件描述符
  • 返回值：映射地址
  • 在调用 ftruncate 扩展共享内存对象的大小后，通常需要使用 mmap 映射更新后的大小。
4. 使用共享内存
  • 进程可直接访问 mmap 返回的地址
5. 解除映射
int munmap(void *addr, size_t length);
6. 关闭共享内存
int close(int fd);
  • 用 close 关闭共享内存通常是减少对共享内存对象的引用计数，并不会立即释放内存，只有在最后一个引用被关闭或解除映射时，共享内存才会被释放。
7. 删除共享内存
int shm_unlink(const char *name);

  • shm_unlink 是用于删除 POSIX 共享内存对象的系统调用。它的作用是 从系统中删除共享内存对象的名称，使得它在 shm_open 中不可见，但不会立即销毁共享内存，直到所有进程关闭该共享内存对象后，系统才会回收它。

  • 不会立即删除共享内存的实际数据，如果有进程仍然持有文件描述符或映射该共享内存，则共享内存仍然存在，直到所有引用（文件描述符和 mmap 映射）都被释放。

  • name：shm_open 使用的共享内存名称，应当是以 / 开头的 POSIX 名称，会在/dev/shm/下创建name不要/的设备文件。

  • 可以查看共享内存的信息

    • ls -l /dev/shm/<name>
    • stat /dev/shm/<name>

  • 强制删除 POSIX 共享内存

    • rm /dev/shm/<name>

接口详细说明

1. shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode)
oflag
标志描述
O_RDONLY只读打开共享内存对象
O_RDWR读写模式打开共享内存对象
O_CREAT如果共享内存对象不存在，则创建
O_EXCL与 O_CREAT 一起使用，若对象已存在，则返回错误
O_TRUNC如果共享内存对象已存在，则将其截断为 0 大小
O_CLOEXEC在 exec 时自动关闭共享内存对象
  1. O_RDONLY
  • 以 只读模式 打开共享内存对象。
  • 如果目标对象不存在，会返回错误。

示例

int fd = shm_open("/shm_example", O_RDONLY, 0666);

注意：只读模式下，mmap 也必须以 PROT_READ 映射，否则会失败：

mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
  1. O_RDWR
  • 以 可读可写模式 打开共享内存对象。
  • 如果目标对象不存在，会返回错误。

示例

int fd = shm_open("/shm_example", O_RDWR, 0666);
  1. O_CREAT
  • 创建 共享内存对象（如果不存在）。
  • 若对象已存在，shm_open 仍会成功返回文件描述符。

示例

int fd = shm_open("/shm_example", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
  • 如果 /dev/shm/shm_example 已存在，不会报错，直接返回文件描述符。
  1. O_EXCL
  • 与 O_CREAT 组合使用，确保共享内存对象唯一性。
  • 如果对象已存在，会返回错误（EEXIST）。

示例

int fd = shm_open("/shm_example", O_CREAT | O_EXCL | O_RDWR, 0666);
if (fd == -1) {perror("shm_open failed");
}
  • 如果对象已存在，shm_open 会失败，返回 -1 并设置 errno = EEXIST。
  1. O_TRUNC
  • 截断（清空）已存在的共享内存对象。
  • 仅适用于可写模式（O_RDWR）。
  • O_TRUNC 会清空已存在的共享内存，谨慎使用。

示例

int fd = shm_open("/shm_example", O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0666);
  • 如果 /dev/shm/shm_example 已存在，则其大小被清零。
  1. O_CLOEXEC
  • exec 调用（如 execve）时自动关闭共享内存文件描述符。
  • 避免子进程继承文件描述符。
  • O_CLOEXEC 可防止 exec 后文件描述符泄露。

示例

int fd = shm_open("/shm_example", O_CREAT | O_RDWR | O_CLOEXEC, 0666);
mode

shm_open 中的 mode 参数

  • shm_open 的 mode 参数用于指定共享内存对象的访问权限，其语义与 open 系统调用的 mode 参数相同。它仅在 O_CREAT 标志被使用时才生效，否则会被忽略。
  1. mode常见权限
模式（宏）数值（八进制）描述
S_IRUSR0400用户可读
S_IWUSR0200用户可写
S_IXUSR0100用户可执行（对共享内存无意义）
S_IRGRP0040组可读
S_IWGRP0020组可写
S_IXGRP0010组可执行（无意义）
S_IROTH0004其他用户可读
S_IWOTH0002其他用户可写
S_IXOTH0001其他用户可执行（无意义）
  1. mode 组合方式

可以通过 按位或 (|) 运算符 组合多个权限。例如：

  • 0666（所有用户可读写）：
shm_open("/shm_example", O_CREAT | O_RDWR, 0666);

等价于：

shm_open("/shm_example", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH);

POSIX 共享内存代码示例

进程 1（写入共享内存）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SHM_NAME "/shm_example"
#define SHM_SIZE 1024int main() {int fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);ftruncate(fd, SHM_SIZE);char *data = (char *)mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);strcpy(data, "Hello from process 1!");printf("Process 1 wrote: %s\n", data);munmap(data, SHM_SIZE);close(fd);  //并没有删除内存共享return 0;
}

进程 2（读取共享内存）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>#define SHM_NAME "/shm_example"
#define SHM_SIZE 1024int main() {int fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR, 0666);char *data = (char *)mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);printf("Process 2 read: %s\n", data);munmap(data, SHM_SIZE);close(fd);shm_unlink(SHM_NAME);  // 删除共享内存return 0;
}

http://www.ppmy.cn/news/1575527.html

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