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【进程通信】 Linux下使用共享内存实现跨进程通信：基于C++的完整示例

news 来源：原创 2025/6/24 8:13:48

在 Linux 系统中，不同进程间无法直接共享变量，但我们可以通过 共享内存（Shared Memory） 这种高效的进程间通信方式（IPC）实现数据共享。本文将通过一个基于 C++ 的示例，带你从零理解如何使用共享内存配合信号量实现跨进程通信，并详细解释关键函数如 ftok() 的原理和使用。

一、为什么选择共享内存？

在常见的进程通信方式中，比如管道、消息队列、Socket 等，都存在一定的系统调用开销。而共享内存是最快的IPC方式之一，它允许多个进程将同一块内存段映射到各自的地址空间，从而实现内存级别的数据共享。缺点是它本身不具备同步机制，因此通常需要结合信号量或互斥锁使用。

二、示例代码概览

我们将实现两个进程：

生产者（Producer）：将数据写入共享内存。
消费者（Consumer）：从共享内存读取数据。

为了避免同时访问造成数据混乱，示例中还使用了 POSIX 信号量（sem_t） 来进行互斥访问控制。

代码文件名为：shared_memory_demo.cpp

三、共享内存结构定义

我们定义了一个结构体 SharedData，用于在进程间传递数据：

struct SharedData {
    int counter;
    char message[128];
};

该结构体将在共享内存中作为数据容器，用于写入和读取。

四、共享内存的创建与连接（含 key 生成机制详解）

在 Linux 中使用共享内存前，需通过 shmget() 创建共享内存段。这个函数需要一个 key 来标识这块共享内存，生成这个 key 的常用方法是使用 ftok()：

key_t key = ftok(SHM_KEY_PATH, 'R');

🔍 `ftok()` 原理解析

ftok() 函数用于从一个已有文件路径生成一个唯一的 key。它的原型如下：

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

pathname：指定一个存在的文件路径（必须存在！）。
proj_id：一个项目ID，通常为字符（如 'R'、'X' 等），用于区分不同用途的共享内存。

工作机制：

ftok() 会将指定文件的 inode编号 和 设备号 与 proj_id 组合，生成一个唯一的 key_t 值。例如：

touch /tmp/shm_demo
ls -i /tmp/shm_demo

执行上述命令可以查看该文件的 inode 编号。

使用该 key 创建共享内存：

int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);

成功后即可通过 shmat() 将共享内存映射到当前进程的地址空间。

五、使用信号量进行访问控制

由于共享内存没有内建的同步机制，我们使用 POSIX 信号量 sem_t 来保证互斥访问：

sem_t* sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0666, 1);
sem_wait(sem);
// 操作共享内存
sem_post(sem);

sem_open()：打开或创建信号量。
sem_wait()：进入临界区，信号量减一。
sem_post()：退出临界区，信号量加一。

六、生产者进程实现

void producer() {
    int shmid = create_shared_memory();
    SharedData* data = (SharedData*)shmat(shmid, NULL, 0);
    sem_t* sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0666, 1);

    sem_wait(sem);
    data->counter = 0;
    strcpy(data->message, "Hello from Producer, I am T, use the shm of IPC firstly !");
    sem_post(sem);

    std::cout << "Producer wrote: " << data->message << std::endl;

    std::cout << "Press Enter to exit..." << std::endl;
    std::cin.get();

    // 清理资源
    shmdt(data);
    sem_close(sem);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 删除共享内存
    sem_unlink(SEM_NAME);          // 删除信号量
}

七、消费者进程实现

void consumer() {
    int shmid = create_shared_memory();
    SharedData* data = (SharedData*)shmat(shmid, NULL, 0);
    sem_t* sem = sem_open(SEM_NAME, 0);

    sem_wait(sem);
    std::cout << "Consumer received: \n"
              << "Counter: " << data->counter << "\n"
              << "Message: " << data->message << std::endl;
    sem_post(sem);

    shmdt(data);
    sem_close(sem);
}

八、程序入口与运行方式

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 2) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " [producer|consumer]\n";
        return EXIT_FAILURE;
    }

    if (strcmp(argv[1], "producer") == 0) {
        producer();
    } else if (strcmp(argv[1], "consumer") == 0) {
        consumer();
    } else {
        std::cerr << "Invalid argument\n";
        return EXIT_FAILURE;
    }
    return EXIT_SUCCESS;
}

✅ 编译和运行：

# 编译
g++ -o shm_demo shared_memory_demo.cpp -pthread

# 创建路径文件供 ftok 使用
touch /tmp/shm_demo

# 终端1：运行生产者
./shm_demo producer

# 终端2：运行消费者
./shm_demo consumer