【Linux】Linux 进程通信：System V 共享内存（最快方案）C++ 封装实战 + 通信案例，4 类经典 Bug 快速修复

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二、System V共享内存：最快的进程间通信

System V是Linux内核支持的一套IPC（进程间通信）标准，其中共享内存是速度最快的IPC方式——因为数据直接存在“共享物理内存”中，进程读写无需拷贝（其他IPC如FIFO需要内核中转）。

1. System V共享内存核心概念

• IPC本质：让不同进程“看到同一份资源”。共享内存的“资源”是一块物理内存，OS通过“页表”将这块物理内存映射到多个进程的虚拟地址空间中。
• 优势：读写速度快（进程操作自己的虚拟地址，等同于操作共享物理内存，无内核拷贝）。
• 劣势：无同步机制（比如两个进程同时写，会导致数据混乱，需配合其他IPC（如FIFO）实现同步）。

2. System V共享内存原理

（1）进程虚拟地址空间结构

每个进程都有独立的虚拟地址空间，分为内核区、栈、堆、共享库区等，默认情况下进程间的内存互不干扰。

（2）共享内存映射过程

OS通过3步让进程共享内存：

1. OS在物理内存中开辟一块“共享物理内存”。
2. 进程A的虚拟地址空间中，分配一块虚拟地址，通过“页表”映射到共享物理内存。
3. 进程B的虚拟地址空间中，也分配一块虚拟地址，同样通过页表映射到同一块共享物理内存。
   最终效果：进程A写自己的虚拟地址，进程B读自己的虚拟地址，就能拿到相同的数据。
   

（3）共享内存的管理：先描述，再组织

OS用一个“内核结构体”（struct shmid_ds）描述共享内存的信息（如大小、权限、引用计数），再用链表/哈希表组织所有共享内存，方便管理。

• 引用计数：记录有多少进程正在使用这块共享内存。只有引用计数为0时，OS才会真正释放物理内存（避免进程还在使用时内存被删）。
  

3. System V共享内存核心接口

操作共享内存需4个核心接口：ftok（生成唯一key）、shmget（创建/获取共享内存）、shmat（将共享内存映射到进程虚拟地址）、shmdt（解除映射）、shmctl（管理共享内存，如删除）。

（1）生成唯一Key：ftok

• 功能：将“文件路径”和“项目ID（proj_id）”组合成一个唯一的key_t类型值（key），用于标识共享内存（确保不同进程能找到同一块共享内存）。
• 接口参数与返回值：
  
  • pathname：必须是已存在的文件路径（比如"./"）。
  • proj_id：1~255的整数（自定义，只要进程间一致即可）。
  • 返回值：成功返回key，失败返回-1。
• 示例：两个进程都用ftok("./", 100)，会生成相同的key，从而找到同一块共享内存。
  
  

（2）创建/获取共享内存：shmget

• 功能：根据key，创建新的共享内存，或获取已存在的共享内存（返回一个“共享内存ID（shmid）”，后续操作都用shmid）。
• 接口参数与返回值：
  
  • key：由ftok生成的唯一标识。
  • size：共享内存的大小（必须是4KB的整数倍，OS按页分配内存，不足4KB会自动补齐）。
  • shmflg：标志位，常用组合：
    • IPC_CREAT：如果共享内存不存在，则创建；如果已存在，则获取。
    • IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664：如果共享内存已存在，则报错（确保创建的是全新的共享内存）；0664是共享内存的权限（和文件权限一致）。
  • 返回值：成功返回shmid（非负整数），失败返回-1。
• 返回值说明：
  

（3）映射共享内存到进程：shmat

• 功能：将shmid对应的共享内存，映射到当前进程的虚拟地址空间中，返回映射后的虚拟地址（进程通过这个地址读写共享内存）。
• 接口参数与返回值：
  
  • shmid：shmget返回的共享内存ID。
  • shmaddr：指定映射到进程虚拟地址的哪个位置（一般设为NULL，让OS自动分配，避免冲突）。
  • shmflg：映射标志（一般设为0，默认权限）。
  • 返回值：成功返回映射后的虚拟地址（void*类型），失败返回(void*)-1。
• 示例：
  
  

（4）解除映射：shmdt

• 功能：将共享内存从当前进程的虚拟地址空间中“解绑”（不会删除共享内存，只是进程看不到它了）。
• 接口参数与返回值：
  
  • shmaddr：shmat返回的虚拟地址（必须和映射时的地址一致）。
  • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
• 注意：解除映射后，共享内存的“引用计数”会减1；若引用计数变为0，OS也不会立刻删除共享内存（需调用shmctl删除）。

（5）管理共享内存：shmctl

• 功能：对共享内存进行管理，如查看信息、修改权限、删除共享内存（最常用的是删除）。
• 接口参数与返回值：
  
  • shmid：shmget返回的共享内存ID。
  • cmd：命令，常用IPC_RMID（删除共享内存）。
  • buf：指向struct shmid_ds的指针（用于传递/接收共享内存的信息，删除时可设为NULL）。
  • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
• 删除共享内存示例：
  
  • 注意：调用shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)后，共享内存会被“标记为删除”，但不会立刻消失——直到所有进程都shmdt解除映射（引用计数为0），OS才会真正释放物理内存。

4. 共享内存实战：查看与删除（命令行）

（1）查看系统中的共享内存：ipcs -m

• 功能：列出当前系统中所有System V共享内存的信息，包括shmid、key、大小、引用计数等。
• 示例：
  
  • shmid：共享内存ID（删除时用）。
  • key：ftok生成的标识。
  • owner：创建共享内存的用户。
  • segsz：共享内存大小（4KB的整数倍）。
  • nattch：引用计数（当前有多少进程映射了这块内存）。

（2）删除共享内存：ipcrm -m shmid

• 功能：根据shmid删除共享内存（等同于代码中的shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)）。
• 示例：
  
  • 注意：共享内存的生命周期“随内核”——即使创建它的进程退出，共享内存也会留在系统中（需手动ipcrm删除，或代码中shmctl删除），避免内存泄漏。

5. 共享内存实战：Server与Client通信

（1）封装共享内存类（Shm.hpp）

为简化代码，用C++类封装共享内存的操作（创建/获取、映射、读写、删除）。

• 创建/获取共享内存：在构造函数中调用ftok和shmget。
  
  • 若shmget失败（比如共享内存已存在），报错信息如下：
    
• 映射与解除映射：提供Attach（调用shmat）和Detach（调用shmdt）成员函数。
  
• 删除共享内存：提供Destroy（调用shmctl）成员函数，在析构函数中调用Detach。
  

（2）服务器端（server.cc）：读共享内存

核心逻辑：创建共享内存 → 映射到虚拟地址 → 循环读数据 → 解除映射 → 删除共享内存。
代码示例：

（3）客户端（client.cc）：写共享内存

核心逻辑：获取已存在的共享内存 → 映射到虚拟地址 → 写数据 → 解除映射（无需删除共享内存）。
代码示例：

（4）通信效果

客户端写入数据后，服务器能立刻读到共享内存中的内容（无需内核中转，速度极快）。

6. 共享内存的同步问题与解决

共享内存本身没有同步机制——如果服务器还没读，客户端就写了新数据，会覆盖旧数据；如果两个进程同时写，会导致数据混乱。

解决方法：结合FIFO实现同步（用FIFO作为“信号通道”，控制读写顺序）。
核心思路：

1. 创建一个FIFO（同步通道）。
2. 客户端：写共享内存 → 向FIFO写一个“信号”（比如1字节）。
3. 服务器：从FIFO读“信号”（阻塞等待） → 读共享内存。
   这样就能确保“客户端写完，服务器才读”，避免数据覆盖。

（1）同步通道（FIFO）创建

（2）服务器端（同步读）

服务器先从FIFO读“信号”（阻塞等待客户端写完），再读共享内存。

（3）客户端（同步写）

客户端先写共享内存，再向FIFO写“信号”（唤醒服务器读）。

7. 常见问题与Bug解决

（1）权限拒绝（Permission denied）

调用shmat时若报错“权限拒绝”，是因为共享内存的权限不足（创建时shmflg没加权限）。
Bug效果：

解决方法：创建共享内存时，在shmflg中加上权限（如0664）。

修改后效果（映射成功）：

（2）共享内存大小不是4KB整数倍

OS按“页”（4KB）分配共享内存，若size不是4KB的整数倍，OS会自动向上补齐（比如size=4097，实际分配8192字节）。
但ipcs -m查看时，segsz会显示用户设置的size（而非补齐后的大小），容易误导。

建议：创建共享内存时，手动将size设为4KB的整数倍（比如size=4096、size=8192），避免浪费。

（3）sleep导致的同步问题

若用sleep控制读写顺序（比如客户端sleep(1)后写，服务器sleep(2)后读），可能因时间差导致同步失败（比如sleep时间不够，服务器还没准备好，客户端就写了）。
Bug效果：

解决方法：不用sleep，改用FIFO等同步机制（如前所述），确保“写后再读”。

（4）共享内存删除后仍能访问

调用shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)后，共享内存被“标记为删除”，但只要有进程还在映射（引用计数>0），进程仍能访问它；只有所有进程都shmdt后，共享内存才会真正消失。
示例：服务器删除共享内存后，客户端仍能读数据（直到客户端shmdt）。

8. 共享内存的内核数据结构（补充）

OS用struct shmid_ds描述共享内存的详细信息，这个结构体包含以下核心字段：

• shm_perm：权限相关信息（如所有者、组、权限）。
• shm_segsz：共享内存大小（用户设置的size）。
• shm_nattch：引用计数（当前映射的进程数）。
• shm_atime：最后一次shmat的时间。
• shm_dtime：最后一次shmdt的时间。
• shm_ctime：最后一次修改（如权限、大小）的时间。

当调用shmget创建共享内存时，OS会初始化这个结构体，并将key存入shm_perm.__key字段，用于标识共享内存。