六十天Linux从0到项目搭建（第二十四天）（共享内存）

1 共享内存的管理机制详解

共享内存是最高效的进程间通信(IPC)方式之一，操作系统需要完善地管理系统中的所有共享内存资源。以下是共享内存的管理机制：

1. 共享内存的系统级管理

核心问题：系统需要同时管理多个共享内存段

解决方案：

• **"先描述，再组织"**的经典OS设计模式

• 为每个共享内存段创建内核数据结构

• 所有共享内存结构体被组织起来统一管理

2. 共享内存的内核数据结构(伪代码)

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;  // 权限信息
    size_t shm_segsz;         // 共享内存大小
    time_t shm_atime;         // 最后attach时间
    time_t shm_dtime;         // 最后detach时间
    time_t shm_ctime;         // 最后change时间
    pid_t shm_cpid;          // 创建者PID
    pid_t shm_lpid;          // 最后操作PID
    unsigned short shm_nattch; // 当前attach的进程数
    // 指向实际物理内存的指针
    void *shm_internal;      
};

3. 共享内存的完整构成

共享内存 = 内核数据结构(struct shmid_ds) + 实际内存空间

4. 共享内存的生命周期管理

创建/获取共享内存

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

• key：使用ftok()生成的唯一键值

• size：共享内存大小

• shmflg：权限标志(如IPC_CREAT)

生成key的方法

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• pathname：存在的文件路径

• proj_id：项目ID(1个字节，0-255)

附加/分离共享内存

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

5. 系统如何管理多个共享内存

1. 全局共享内存表：内核维护一个所有共享内存段的表

2. 唯一标识：每个共享内存段有唯一的shmid

3. 引用计数：跟踪有多少进程附加到该内存

4. 生命周期：

   • 显式删除：shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)

   • 当最后一个进程分离且显式标记删除时，内存才真正释放

6. 多进程使用共享内存的要点

1. 不是只能一对进程使用：多个进程可以同时附加到同一共享内存

2. 并发访问控制：需要额外同步机制(如信号量)保证数据一致性

3. 系统限制：通过ipcs -l可查看系统允许的共享内存总量

示例：创建和使用共享内存

// 生成key
key_t key = ftok("/tmp/mem.key", 'A');

// 创建共享内存(1KB)
int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);

// 附加到进程地址空间
char *shm_ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);

// 使用共享内存
strcpy(shm_ptr, "Hello Shared Memory!");

// 分离共享内存
shmdt(shm_ptr);

// 删除共享内存(通常由一个进程负责)
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

操作系统通过这种精细的管理机制，使得共享内存既高效又安全地被多个进程使用。

2 共享内存的生命周期与管理机制

1. Key与shmid的关系

Key：

• 内核中使用的标识符，由ftok()生成

• 用于创建/获取共享内存时的"匹配键"

• 类比：类似于文件的inode编号，是系统级的唯一标识

shmid：

• 共享内存段的实际句柄

• 由shmget()返回，用于后续操作(shmat/shmdt等)

• 类比：类似于文件描述符(fd)，是进程级的操作句柄

2. 共享内存的生命周期特性

关键特性：

• 不随进程终止而释放：即使创建进程退出，共享内存依然存在

• 随操作系统持续存在：直到显式删除或系统重启

• 引用计数机制：通过shm_nattch记录当前附加的进程数

现象解释：

• 创建进程退出后共享内存仍然存在，这是设计使然

• 允许多个无关进程在不同时间访问同一共享内存

3. 共享内存的管理方式

(1) 使用指令删除

ipcs -m              # 查看所有共享内存
ipcrm -m <shmid>     # 删除指定共享内存
ipcrm -M <key>       # 通过key删除共享内存

(2) 系统调用删除

#include <sys/shm.h>
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);  // 标记删除共享内存

删除的实际行为：

1. 立即将共享内存标记为"待销毁"

2. 当最后一个使用它的进程调用shmdt()分离后，内存才真正释放

3. 新的shmget()调用将无法获取该共享内存

4. 生命周期管理的最佳实践

创建策略：

// 推荐方式：确保创建全新的共享内存
shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
if(shmid == -1 && errno == EEXIST) {
    // 已存在则获取现有ID
    shmid = shmget(key, size, 0666);
}

删除策略：

1. 设计一个"清理进程"负责最终删除

2. 或者使用atexit()注册退出时的清理函数

3. 重要数据应配合信号量等同步机制

5. 内核实现原理

数据结构关系

用户层          内核层
shmid  ----> struct shmid_ds ---> 实际物理内存
                ↑
全局shm_table链表节点

生命周期控制：

• 创建：分配struct shmid_ds并加入全局链表

• 使用：通过shmid找到对应结构体

• 删除：从链表移除并标记，引用计数为0时释放内存

6. 与文件系统的对比

特性	共享内存	文件系统
标识符	key/shmid	inode/fd
生命周期	显式删除或系统重启	文件被unlink且无打开
访问方式	直接内存访问	read/write系统调用
同步需求	必须额外同步	部分由内核保证

共享内存的这种设计使其成为最高效但也最需要谨慎管理的IPC方式，开发人员必须明确管理其生命周期，避免造成内存泄漏。