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目录

前言：

一、先搞懂：System V共享内存是什么？

1.1 通信流程与地址空间示意图

1.2 关键特点（必记）

1.3 核心理解与提出问题

二、底层原理：System V共享内存如何工作？

2.1 内核管理数据结构

2.2 核心原理拆解

2.3 先熟悉5个核心系统调用

2.3.1 ftok：生成唯一 Key（共享内存的 “身份证”）

2.3.2 shmget：创建 / 获取共享内存

2.3.3 shmat：挂载共享内存

2.3.4 shmdt：脱离共享内存

2.3.5 shmctl：控制共享内存（核心功能：删除）

三、实操实战：手把手用代码操作System V共享内存

3.1 封装类核心逻辑解析（Shm.hpp）

3.2 Writer 进程：写入数据到共享内存（Writer.cc）

3.3 Reader 进程：从共享内存读取数据（Reader.cc）

3.4 编译与运行

3.4.1 Makefile

3.4.2 运行步骤与输出结果展示

四. 内核管理 System V 共享内存

五、避坑指南：这些问题一定要注意！

1. 共享内存忘记删除，导致内存泄漏

2. 多个进程同时读写，导致数据混乱

3. key值不一致，导致进程找不到共享内存

4. 共享内存大小设置不合理

六、总结：System V共享内存的适用场景

前言：

在Linux进程间通信（IPC）中，共享内存是效率最高的方式之一——它直接让多个进程共享同一块物理内存区域，无需像管道、消息队列那样进行数据拷贝，省去了内核与用户空间之间的频繁数据交换开销。而System V共享内存（简称SysV共享内存），作为Linux早期就支持的经典IPC机制，至今仍在很多底层开发、高性能程序中广泛应用。

今天这篇博客，就带大家从“是什么、怎么工作、怎么用、踩过哪些坑”四个维度，彻底搞懂System V共享内存，全程附代码示例，新手也能跟着上手。

一、先搞懂：System V共享内存是什么？

System V共享内存，是System V系列IPC机制（包括共享内存、消息队列、信号量）中的一种，核心作用是“让多个进程访问同一块物理内存”，实现高效的数据共享。

我们可以用一个通俗的比喻理解：把物理内存想象成一个“公共仓库”，System V共享内存就相当于在这个仓库里划分出一块专属区域，然后给多个进程发放“访问权限”，这些进程可以直接往这块区域读写数据，不用再通过“中间人”（比如内核缓冲区）传递，速度自然更快。

1.1 通信流程与地址空间示意图

1.2 关键特点（必记）

  • 高效性：无内核与用户空间的数据拷贝，直接操作物理内存，是所有IPC机制中速度最快的。

  • 持续性：共享内存一旦创建，会一直存在于内核中，直到被显式删除（或系统重启），不受进程生命周期影响（即使创建它的进程退出，内存依然存在）。

  • 非实时性：没有自带的同步机制，多个进程同时读写时，需要手动搭配信号量等同步手段，否则会出现数据混乱。

  • 标识符（key）：每个System V共享内存都有一个唯一的key值，进程通过key值找到对应的共享内存，实现跨进程关联。

1.3 核心理解与提出问题

问题：

  1. 整个过程是谁做的？操作系统 OS，那是谁让 OS 做的呢，操作系统必然会提供系统调用！我们程序员所写的就可以调用系统调用，所以是用户让操作系统做的。

  2. 共享区这个东西用户可以直接访问吗？共享区这个不属于内核空间，是属于用户空间的。所以我们用户随便拿个指针就可以直接访问了！意味着我们也可以不需要使用系统调用来读写 shm。我们之前使用动态库也可以没系统调用。

总结：创建和 “删除” shm 需要系统调用，使用 shm 不需要（类似 malloc ()）。

我们创建管道的时候用了系统调用，使用管道的时候也用了，这也是和共享内存的差别。用户空间最有代表的就是用户可以直接访问。

二、底层原理：System V共享内存如何工作？

2.1 内核管理数据结构

内核通过struct shmid_ds管理共享内存的属性，是共享内存描述结构体 的子集，结合 Linux 2.6.18 内核源码，核心字段如下：

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;  // 权限控制结构体（包含key、uid、gid、mode等）
    size_t shm_segsz;          // 共享内存大小（字节）
    pid_t shm_cpid;           // 创建进程PID
    pid_t shm_lpid;           // 最后一次操作该内存的进程PID
    unsigned short shm_nattch; // 当前挂载到该内存的进程数
    time_t shm_atime;          // 最后一次挂载时间（shmat调用时间）
    time_t shm_dtime;          // 最后一次脱离时间（shmdt调用时间）
    time_t shm_ctime;          // 最后一次属性修改时间
    void *shm_unused2;         // 预留字段（内核内部使用）
};

struct ipc_perm是 System V IPC（共享内存、消息队列 、信号量）的通用权限结构体，内核通过该结构体的key字段唯一标识一个 IPC 资源。

2.2 核心原理拆解

System V 共享内存的使用流程遵循 “生成 Key→创建 / 获取共享内存→挂载→读写→脱离→删除”，核心 API 包括ftok、shmget、shmat、shmdt、shmctl，逐一解析如下：

2.3 先熟悉5个核心系统调用

2.3.1 ftok：生成唯一 Key（共享内存的 “身份证”）

用于将 “文件路径 + 项目 ID” 转换为唯一的key_t类型值，作为共享内存的全局标识 —— 多个进程通过相同的key可获取同一块共享内存。

#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
  • 参数理解：
    • pathname：必须是系统中已存在的文件路径（如"/home"），且调用进程对该文件有访问权限
    • proj_id：非 0 的 8 位整数（如0x6666），不同的proj_id会生成不同的key（即使路径相同）；
  • 返回值：成功返回唯一key，失败返回 - 1（errno会标识错误原因，如文件不存在、权限不足）。

2.3.2 shmget：创建 / 获取共享内存

用于创建新的共享内存或获取已存在的共享内存，返回共享内存标识符（shmid），后续操作均通过shmid关联共享内存。

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数深度解析：

  • key：ftok生成的唯一 Key；
  • size：共享内存大小（建议为 4096 的整数倍），创建时需指定，获取时可设为 0；
  • shmflg：权限标志组合，核心组合：
    • IPC_CREAT：若共享内存不存在则创建，存在则直接获取（常用）
    • IPC_CREAT | IPC_EXCL：若共享内存已存在则报错（确保创建全新内存，避免覆盖）；
    • 权限位（如0666）：控制进程对共享内存的访问权限（与文件权限规则一致）；

返回值：成功返回shmid（非负整数），失败返回 - 1。

key值补充：

创建成功了就会返回一个共享内存的标识符，也可以叫句柄，但是跟文件描述符可没有关系联系。这也是这种技术会被边缘化的原因之一，要是能跟文件关联上多好

shmget 怎么知道 shm 存在还是不存在呢？所以共享内存一定要有一个标识 shm 唯一性的标识符！在哪里？在它的结构体里一定有一个唯一标识符的。需要用户设置唯一值，作为 shm 在内核中的唯一值，我们叫做 key

2.3.3 shmat：挂载共享内存

将共享内存映射到当前进程的虚拟地址空间，返回映射后的虚拟地址指针 —— 进程通过该指针读写共享内存。

#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数细节：

  • shmid：shmget返回的共享内存标识符；
  • shmaddr：指定挂载的虚拟地址（NULL 表示由内核自动分配，推荐使用）；
  • shmflg：挂载标志：
    • 0：可读可写挂载；
    • SHM_RDONLY：只读挂载（进程无写权限）；
    • SHM_RND：若shmaddr非 NULL，将挂载地址向下调整为SHMLBA（内存页边界）的整数倍；

返回值：成功返回虚拟地址指针，失败返回(void*)-1。

2.3.4 shmdt：脱离共享内存

将共享内存从当前进程的虚拟地址空间中脱离（解除映射关系），并非删除共享内存。

#include <sys/shm.h>
int shmdt(const void *shmaddr);
  • 参数：shmaddr：shmat返回的虚拟地址指针；
  • 关键注意：
    • 脱离后，进程无法再访问该共享内存，但共享内存本身仍存在于内核中；
    • 若进程未调用shmdt就退出，内核会自动解除映射（避免内存泄漏）；
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。
2.3.5 shmctl：控制共享内存（核心功能：删除）

用于获取共享内存属性、修改属性或删除共享内存，是共享内存生命周期管理的核心 API。

#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数深度解析：

  • shmid：共享内存标识符；
  • cmd：控制命令（核心 3 种）：
    • IPC_STAT：获取共享内存属性，存入buf指向的shmid_ds结构体（如查询挂载进程数、大小）
    • IPC_SET：修改共享内存属性（需进程有CAP_SYS_ADMIN权限），属性值从buf读取
    • IPC_RMID：标记共享内存为 “待删除”，后续新进程无法挂载，所有进程脱离后内核释放内存
  • buf：存储属性的结构体指针（IPC_RMID时可设为 NULL）；

返回值：成功返回 0，失败返回 - 1。

三、实操实战：手把手用代码操作System V共享内存

提供Shm.hpp封装类对上述核心 API进行完整封装，无需修改即可使用。结合Writer.cc（写进程）和Reader.cc（读进程），实现跨进程数据读写。

3.1 封装类核心逻辑解析（Shm.hpp）

Shm.hpp封装了 “生成 Key→创建 / 获取→挂载→删除→属性查询” 的全流程，核心接口与 API 映射关系如下：

函数名 调用示例 功能描述
Create() shmget(key, size, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666) 创建全新共享内存
Get() shmget(key, size, IPC_CREAT) 获取已存在的共享内存
Attch() shmat(shmid, NULL, 0) 挂载共享内存，返回虚拟地址指针
Delete() shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) 删除共享内存
GetShmAttr() shmctl(shmid, IPC_STAT, &ds) 获取共享内存属性（PID、大小、Key）
Debug() 打印shmid、size、key（调试用） 
#ifndef __SHM_HPP__
#define __SHM_HPP__

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

const std::string proj_name = "/home";
const int proj_id = 0x6666;
const int g_size = 4096;

static std::string ToHex(long long data)
{
    char buf[16];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "0x%llx", data);
    return buf;
}

class Shm
{
public:
    Shm(int size = g_size): _shmid(-1), _size(size), _key(0)
    {}
    ~Shm() {}
private:
    key_t GetKey()
    {
        _key = ftok(proj_name.c_str(), proj_id);
        if(_key < 0)
        {
            perror("ftok");
        }
        return _key;
    }
    bool CreateCoreHelper(int flags)
    {
        // 1. 获取key值
        key_t key = GetKey();
        // 2. 创建共享内存
        _shmid = shmget(key, _size, flags);
        if(_shmid < 0)
        {
            perror("shmget");
            return false;
        }
        return true;
    }
public:
    // 1.创建共享内存
    bool Create()
    {
        return CreateCoreHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    }
    // 2.获取共享内存
    bool Get()
    {
        return CreateCoreHelper(IPC_CREAT);
    }
    // 3. 删除共享内存
    bool Delete()
    {
        int n = shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
        return n < 0 ? false : true;
    }
    // 4. 获取共享内存属性
    void GetShmAttr()
    {
        struct shmid_ds ds;
        int n = shmctl(_shmid, IPC_STAT, &ds);
        if(n < 0)
        {
            perror("shmctl");
            return ;
        }
        std::cout << ds.shm_cpid << std::endl;
        std::cout << ds.shm_segsz << std::endl;
        std::cout << ToHex(_key) << std::endl;
    }
    // 5. 共享内存映射挂载
    void *Attch()
    {
        _start = (char *)shmat(_shmid, nullptr, 0);
        return _start;
    }
    // 6. 共享内存去关联
    void Detach()
    {
        int n = shmdt(_start);
        (void)n;
    }
    void Debug()
    {
        std::cout << "shmid: " << _shmid << std::endl;
        std::cout << "size: " << _size << std::endl;
        std::cout << "key: " << ToHex(_key) << std::endl;
    }
private:
    int _shmid;
    int _size;
    key_t _key;
    char *_start;
};

typedef struct data
{
    int count;
    char buf[26 * 2];
}buffer_t;
#endif

3.2 Writer 进程：写入数据到共享内存（Writer.cc）

// header only

#include "Shm.hpp"

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    Shm shm;
    shm.Get();
    shm.Debug();

    return 0;
}

3.3 Reader 进程：从共享内存读取数据（Reader.cc）

// header only

#include "Shm.hpp"

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>

// Writer -> shm -> Reader
int main()
{
    // 1.在内核中创建共享内存
    Shm shm;
    shm.Create();

    sleep(3);
    
    shm.Attach();
    
    shm.Debug();
    shm.GetShmAttr();

    sleep(5);

    shm.Delete();

    return 0;
}

3.4 编译与运行

3.4.1 Makefile
all:Writer Reader
Reader:Reader.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
Writer:Writer.cc
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHONY:clean
clean:
	rm -f Writer Reader
3.4.2 运行步骤与输出结果展示
  • 步骤一：先运行./Reader
  • 步骤二：再运行./Writter

先补充一下之前共享内存代码这块：我们把之前的代码中的大小变成 4097 进行测试，之前我们说过大小必须是 4096 的整数倍，那会发生什么呢。

操作系统会给你申请 4096*2，这不就是浪费了 4095 嘛。

那这样难道就不可以嘛。当然不行，如果你实际是 4097，操作系统给你了 4096*2，那我们访问越界的时候，可能都不会有提示了。至于为什么会这样给，我们后面线程的时候来说

四. 内核管理 System V 共享内存

根据附录的内核源码解析，内核通过struct ipc_ids和struct shmid_kernel管理所有共享内存资源，核心逻辑如下：

  • 全局管理结构：内核维护shm_ids全局变量（struct ipc_ids类型），记录系统中所有共享内存的元数据（如max_id、in_use、entries数组）；
  • 索引机制：struct ipc_id_ary的entries数组存储struct kern_ipc_perm指针，内核通过shmid索引到对应的共享内存权限结构体；
  • 物理内存关联：struct shmid_kernel包含struct file *shm_file字段，通过文件系统的inode和vm_area_struct实现物理内存与进程虚拟地址的映射。

简单来说：内核将共享内存抽象为一种特殊的 IPC 资源，通过 “Key→shmid→内核数据结构→物理内存” 的链路，实现对共享内存的创建、挂载、脱离、删除等操作的统一管理。

五、避坑指南：这些问题一定要注意！

System V共享内存虽然高效，但使用时容易踩坑，尤其是新手，以下几个问题必须重点关注：

1. 共享内存忘记删除，导致内存泄漏

坑点：共享内存的生命周期独立于进程，若进程异常退出（比如崩溃），没有执行shmctl(IPC_RMID)，共享内存会一直占用物理内存，长期下来会导致内存泄漏。

解决方法：

  • 在程序中添加信号处理（如捕获SIGINT信号），进程退出前强制删除共享内存。

  • 手动查看/删除共享内存：

    • 查看所有System V共享内存 ipcs -m

    • 删除指定shmid的共享内存 ipcrm -m 123456（123456是shmid）

2. 多个进程同时读写，导致数据混乱

坑点：System V共享内存没有自带同步机制，若多个进程同时写入，会出现数据覆盖、错乱的问题。

解决方法：搭配System V信号量（或互斥锁）使用，实现“互斥访问”——同一时间只有一个进程能读写共享内存。

3. key值不一致，导致进程找不到共享内存

坑点：不同进程使用ftok()生成key时，路径（KEY_PATH）或标识（KEY_ID）不一致，会导致生成的key不同，无法找到同一个共享内存。

解决方法：所有需要通信的进程，使用完全相同的KEY_PATH和KEY_ID生成key；或直接使用固定的key值（如0x123456），避免ftok()的潜在问题。

4. 共享内存大小设置不合理

坑点：设置的共享内存大小不足，导致写入数据被截断；或设置过大，浪费物理内存。

六、总结：System V共享内存的适用场景

System V共享内存的核心优势是“高效”，核心劣势是“需要手动管理同步和生命周期”，因此它适合以下场景：

  • 高性能要求的进程间通信（如实时数据传输、高频数据共享）。

  • 多个进程需要共享大量数据，且数据交换频繁（避免频繁拷贝）。

  • 底层开发、嵌入式Linux开发（System V IPC兼容性好，占用资源少）。

最后提醒：虽然System V共享内存很经典，但在现代Linux开发中，也可以关注POSIX共享内存（如shm_open()、mmap()），它更灵活、更符合POSIX标准，不过System V共享内存的兼容性和底层可控性，依然是它不可替代的优势。

如果觉得这篇博客对你有帮助，欢迎点赞收藏，评论区留言讨论你在使用System V共享内存时遇到的问题～

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