一、进程间通信的本质与核心问题
- 是什么：让两个或多个进程，在数据层面完成交互（比如传递基本数据、发送命令、协同操作、通知事件等 ）。
- 难点：进程本身是相互独立的，这使得通信“成本高”（数据要跨进程传递，需额外处理独立性带来的隔离问题 ）。
二、解决思路：让进程看到“同一份资源”
进程间通信，本质是让不同进程能访问到“同一份资源”（通常是特定形式的内存空间 ），关键逻辑：
- 资源由谁提供：一般由操作系统提供（而非让某一个进程单独创建，否则会破坏进程独立性，变成“进程私有资源” ）。
- 进程如何访问：进程通过 “系统调用接口” ，访问操作系统管理的这份“资源”，实现创建、使用、释放等操作（进程相当于“用户”，借助系统调用和系统交互 ）。
三、操作系统的通信模块与标准
- 通信模块：操作系统会设计 独立的“IPC通信模块” ，常“隶属于文件系统”（把通信资源以类似文件的方式管理 ）。
- 行业标准：进程间通信有通用标准，典型的如 System V、posix（不同系统会基于这些标准实现，保证兼容性 ）。
四、具体通信方式与分类
- 基于文件级别的简单方式：比如 管道（把数据传递抽象成“文件读写”逻辑，是较基础的进程通信手段 ）。
- System V IPC 经典方式（更灵活、针对复杂场景 ）：
- 消息队列：进程间按“消息”为单位传递数据，可实现异步、解耦的通信。
- 共享内存：让多个进程直接访问同一块内存区域，速度快（但需自己处理同步、互斥问题 ）。
- 信号量：主要用于“同步、互斥”，协调多个进程对共享资源的访问（比如防止同时修改同一份数据 ）。
- 其他扩展方式（图中提到的补充 ）：还包括互斥量、条件变量、读写锁等（更细分场景下，用于优化同步逻辑、提升效率 ）。
简单说，进程间通信的核心是“借操作系统的‘共享资源’打破进程独立性”，再通过不同的通信方式（管道、System V 系列、互斥/同步工具等 ），满足“传数据、发命令、协同工作”等需求 。
共享内存
原理
操作系统是需要管理共享内存的，通过内核结构体描述共享内存。
释放共享内存：先去关联，再释放共享内存
步骤：
一创建共享内存
shmget是Linux系统中用于创建或获取共享内存段的系统调用，是System V进程间通信（IPC）机制的核心函数之一。相关信息如下：
- 函数原型： int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
- 参数说明：
- key ：是一个键值，用于标识共享内存段。若多个进程要共享同一块内存区域，需使用相同的 key 值。当 key 为 0 （ IPC_PRIVATE ）时，会建立新的共享内存对象；当 key 为大于0的32位整数时，通常由 ftok 函数生成。
- size ：指定新建共享内存的大小，单位为字节，且需为系统页大小（通常是4KB）的整数倍。若只是获取已存在的共享内存，此参数可设为0。
- shmflg ：标识函数的行为及共享内存的权限。常用标志位有 IPC_CREAT （若内核中不存在指定 key 的共享内存，则新建一个）、 IPC_EXCL （与 IPC_CREAT 配合使用，若共享内存已存在则报错）。此外，还需与权限值（如 0600 ）进行按位或运算来确定共享内存的存取权限。
- 返回值：成功时返回共享内存的标识符shmid,他只在进程中；出错时返回-1，错误原因存于 errno 中。常见错误代码包括 EINVAL （参数 size 不合理等）、 EEXIST （共享内存已存在但设置了 IPC_EXCL ）、 ENOENT （共享内存不存在且未设置 IPC_CREAT ）等。
ftok函数
ftok是Linux中用于生成System V IPC（进程间通信）键值（key）的函数，常与shmget等IPC函数配合使用，相关信息如下：
函数原型
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
参数说明
- pathname：（由通信进程创建，由用户指定路径）
指定一个存在的文件路径。函数会根据该文件的inode号（文件在文件系统中的唯一标识）生成key的一部分。
- proj_id：
一个8位的整数（0-255），作为key的另一部分。通常使用一个字符（如'A'），其ASCII码值会被自动转换为整数。
返回值
成功时返回一个key_t类型的键值（32位整数），可用于标识共享内存、信号量等IPC对象；出错时返回-1（如pathname不存在、无访问权限等）。
生成逻辑
ftok将pathname对应的inode号与proj_id按特定规则组合，生成唯一的key。例如：
1. 获取pathname的inode号（通过stat系统调用）。
2. 取inode号的低24位与proj_id的8位组合，形成32位的key。
注意事项
- 文件唯一性：不同文件的inode号不同，若使用同一文件和proj_id，生成的key相同；若文件被删除后重建，inode号可能变化，导致key改变。
- proj_id范围：proj_id必须在0-255之间，否则结果未定义。
- 跨主机问题：同一文件在不同主机上的inode号可能相同，但proj_id需一致才能生成相同key，因此ftok通常仅用于单机IPC场景。
应用场景
常用于多个进程需要共享同一IPC对象的场景。例如：
1. 服务器进程用ftok生成key，创建共享内存；
2. 客户端进程用相同的pathname和proj_id生成key，通过shmget获取同一共享内存。
示例： key = ftok("/tmp/myfile", 'a'); // 若/tmp/myfile存在，生成唯一key。
共享内存的生命周期是随内核的，用户不主动关闭，共享内会一直存在，除非内核重启。
指令ipcs -m，它是 Linux 系统中用于查看共享内存（Shared Memory）相关信息的命令行工具。
ipcrm 是 Linux 系统中用于删除 System V IPC（进程间通信）对象的命令行工具，可删除共享内存、信号量或消息队列。以下是其详细用法：
基本语法
ipcrm [选项] [参数]
常用选项与功能
根据删除的 IPC 对象类型，选项分为三类：
1. 删除共享内存（Shared Memory）
- -m shmid ：通过共享内存标识符（ shmid ）删除对象。
- 示例： ipcrm -m 12345 （删除标识符为 12345 的共享内存段）。
2. 删除信号量（Semaphore）
- -s semid ：通过信号量标识符（ semid ）删除对象。
- 示例： ipcrm -s 67890 。
3. 删除消息队列（Message Queue）
- -q msqid ：通过消息队列标识符（ msqid ）删除对象。
- 示例： ipcrm -q 101112 。
结合 ipcs 命令使用
通常先通过 ipcs 查看目标对象的标识符，再用 ipcrm 删除：
1. 查看共享内存列表及 shmid ：
ipcs -m
输出示例：
------ Shared Memory Segments --------
key shmid owner perms bytes nattch status
0x5a1a3c89 131073 user 644 4096 2
2. 删除指定 shmid 的共享内存：
ipcrm -m 131073
注意事项
- 权限要求：普通用户只能删除自己创建的 IPC 对象，root 用户可删除任意对象。
- 强制删除：即使有进程正在附加（ nattch > 0 ）， ipcrm 仍会删除共享内存，可能导致进程访问异常。
- 生命周期影响：删除后，所有附加到该对象的进程在下次操作时会收到错误（如 shmat 返回 -1）。
替代方案
若需编程删除共享内存可使用 shmctl 函数：
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
// 当 cmd 为 IPC_RMID 时，删除共享内存段
共享内存之所以是进程间通信（IPC）中最快的方式，核心原因在于它避免了数据拷贝和内核干预。
进程共享内存挂接函数
shmat 是Linux中用于将共享内存段附加到进程地址空间的系统调用，是共享内存通信的核心操作之一。以下是其详细用法和功能解析：
一、函数原型与头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
- 参数说明：
- shmid ：共享内存段的标识符（由 shmget 返回）。
- shmaddr ：指定附加的虚拟地址（通常设为 NULL ，由系统自动分配）。
- shmflg ：标志位，常用值：
- 0 ：以只读方式附加（若共享内存创建时允许）。
- SHM_RDONLY ：强制以只读方式附加。
二、返回值与错误处理
- 成功：返回指向共享内存段的指针（可直接读写）。
- 失败：返回 (void *)-1 ，并设置 errno ：
- EACCES ：权限不足（无读权限）。
- EINVAL ： shmid 无效或共享内存已被删除。
- ENOMEM ：进程地址空间不足。
三、使用示例（C语言）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#define SHM_SIZE 1024 // 共享内存大小
int main() {
int shmid;
char *shmptr;
// 1. 获取已存在的共享内存段（假设key为0x1234）
shmid = shmget(0x1234, 0, 0666);
if (shmid == -1) {
perror("shmget failed");
exit(1);
}
// 2. 附加共享内存到进程地址空间
shmptr = shmat(shmid, NULL, 0);
if (shmptr == (void *)-1) {
perror("shmat failed");
exit(1);
}
// 3. 读写共享内存（示例：读取字符串）
printf("Shared memory content: %s\n", shmptr);
// 4. 修改共享内存（需有写权限）
strcpy(shmptr, "Hello from process 2!");
printf("Modified content: %s\n", shmptr);
// 5. 分离共享内存（非删除，仅断开进程关联）
if (shmdt(shmptr) == -1) {
perror("shmdt failed");
exit(1);
}
return 0;
}
四、关键机制与注意事项
1. 地址空间映射：
- shmat 将内核中的共享内存段映射到进程的虚拟地址空间，进程可直接通过指针操作内存，无需内核参与数据拷贝（这也是共享内存高效的原因）。
2. 权限与附加状态：
- 附加权限由共享内存的 perms 控制（如 0666 表示所有者、组、其他用户均可读写）。
- 可通过 ipcs -m 查看当前附加到共享内存的进程数（ nattch 列）。
3. 与 shmdt 的配合：
- 进程终止时会自动分离共享内存，但建议主动调用 shmdt 释放资源。
- 分离不代表删除共享内存段，需通过 shmctl 的 IPC_RMID 命令删除。
4. 同步问题：
- 共享内存本身不提供同步机制，需配合信号量、互斥锁等实现进程间读写同步，避免数据竞争。
五、与其他系统调用的关联
graph TD
A[shmget(创建/获取共享内存)] --> B[shmat(附加到进程)]
B --> C[进程通过指针读写内存]
C --> D[shmdt(分离内存)]
D --> E[shmctl(删除内存段)]
进程共享内存分离函数
shmdt 是Linux中用于分离共享内存段与进程地址空间的系统调用，是共享内存通信的收尾操作之一。以下是其详细用法和功能解析：
一、函数原型与头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>int shmdt(const void *shmaddr);- 参数说明：
- shmaddr ：指向已附加的共享内存段的指针（即 shmat 返回的地址）。
二、返回值与错误处理
- 成功：返回 0 。
- 失败：返回 -1 ，并设置 errno ：
- EINVAL ： shmaddr 不是有效的共享内存指针（未通过 shmat 附加）。
三、使用示例（C语言）
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
int main() {
int shmid;
char *shmptr;
// 1. 获取共享内存段（假设已存在）
shmid = shmget(0x1234, 0, 0666);
if (shmid == -1) {
perror("shmget failed");
return 1;
}
// 2. 附加共享内存
shmptr = shmat(shmid, NULL, 0);
if (shmptr == (void *)-1) {
perror("shmat failed");
return 1;
}
// 3. 读写共享内存...
// 4. 分离共享内存
if (shmdt(shmptr) == -1) {
perror("shmdt failed");
return 1;
}
printf("Shared memory detached successfully.\n");
return 0;
}
四、核心机制与作用
1. 解除地址映射：
- shmdt 的本质是将共享内存段从进程的虚拟地址空间中卸载，断开指针与内核共享内存的关联。
- 分离后，进程无法再通过原指针访问共享内存，避免野指针操作。
2. 计数管理：
- 共享内存段维护一个 nattch 计数器（记录当前附加的进程数）， shmdt 会将该计数减1。
- 当 nattch 减为0时，若共享内存已被标记为删除（通过 shmctl 的 IPC_RMID ），则内核会真正释放其物理内存。
五、与其他操作的关联
graph TD
A[shmget创建共享内存] --> B[shmat附加到进程]
B --> C[进程读写内存]
C --> D[shmdt分离内存]
D --> E{是否删除共享内存?}
E -- 是 --> F[shmctl删除]
E -- 否 --> G[共享内存保留，等待其他进程访问]
六、注意事项
1. 分离≠删除：
- shmdt 仅断开进程与共享内存的关联，共享内存段本身仍存在于系统中（需通过 shmctl 删除）。
- 可通过 ipcs -m 查看共享内存的 nattch 计数，确认当前附加的进程数。
2. 进程终止的自动处理：
- 进程退出时（如 exit 或异常崩溃），系统会自动调用 shmdt 分离所有已附加的共享内存，无需手动处理。
- 但主动调用 shmdt 是良好的编程习惯，可及时释放资源。
3. 同步与资源释放：
- 若多个进程共享同一内存段，某进程调用 shmdt 不影响其他进程的访问，仅减少 nattch 计数。
- 建议在分离前确保数据已同步（如写入完成），避免其他进程读取到不完整数据。
删除进程共享内存的函数
shmctl 是Linux中用于控制共享内存段属性的系统调用，可实现获取状态、修改权限、删除共享内存等操作。以下是其详细功能解析：
一、函数原型与头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);- 参数说明：
- shmid ：共享内存段的标识符（由 shmget 返回）。
- cmd ：操作命令（核心命令见下方列表）。
- buf ：指向 shmid_ds 结构体的指针，用于传入/返回属性信息。
二、核心操作命令（cmd）
1. 获取共享内存状态（ IPC_STAT ）
- 作用：将共享内存段的属性复制到 buf 指向的结构体中。
- 结构体关键字段：
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; // 权限信息
size_t shm_segsz; // 内存段大小（字节）
pid_t shm_lpid; // 最后一次操作的进程PID
pid_t shm_cpid; // 创建者PID
unsigned short shm_nattch; // 当前附加的进程数
// 其他字段...
};
2. 修改共享内存权限（ IPC_SET ）
- 作用：将 buf 中 shm_perm 字段的权限信息（如 mode ）应用到共享内存段。
- 示例：
buf->shm_perm.mode = 0660; // 设置读写权限为所有者和组可读写
shmctl(shmid, IPC_SET, buf);
3. 删除共享内存段（ IPC_RMID ）
- 作用：标记共享内存段为“待删除”，当所有进程分离（ shm_nattch 为0）时，内核释放其物理内存。
- 注意：
- 已附加的进程仍可访问，直到调用 shmdt 分离。
- 可通过 ipcs -m 查看状态为 dest 的共享内存段。
三、返回值与错误处理
- 成功：返回 0 。
- 失败：返回 -1 ，常见 errno ：
- EINVAL ： shmid 无效，或 cmd 不支持。
- EPERM ：无权限执行操作（如非所有者或root用户修改权限）。
四、使用示例（C语言）
1. 获取共享内存信息并删除
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
int main() {
int shmid;
struct shmid_ds buf;
// 1. 获取已存在的共享内存段
shmid = shmget(0x1234, 0, 0666);
if (shmid == -1) {
perror("shmget failed");
return 1;
}
// 2. 获取共享内存状态
if (shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf) == -1) {
perror("shmctl IPC_STAT failed");
return 1;
}
printf("Shared memory size: %zu bytes\n", buf.shm_segsz);
printf("Attached processes: %hu\n", buf.shm_nattch);
// 3. 删除共享内存段（标记为待删除）
if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
perror("shmctl IPC_RMID failed");
return 1;
}
printf("Shared memory marked for deletion.\n");
return 0;
}
2. 修改共享内存权限
struct shmid_ds buf;
// 先通过IPC_STAT获取当前属性
shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf);
// 修改权限为所有者读写，其他用户只读
buf.shm_perm.mode = 0644;
shmctl(shmid, IPC_SET, &buf);五、与其他系统调用的配合
graph TD
A[shmget创建] --> B[shmat附加]
B --> C[进程读写]
C --> D{是否需要管理?}
D -- 是 --> E[shmctl修改/删除]
D -- 否 --> F[shmdt分离]
E --> F
F --> G{是否删除?}
G -- 是 --> H[shmctl IPC_RMID]
六、注意事项
1. 删除的延迟性：
- 调用 IPC_RMID 后，共享内存段仍存在，直到所有进程分离。若需立即删除，需确保所有进程已调用 shmdt 。
2. 权限与所有权：
- 仅共享内存所有者、创建者或root用户可执行 IPC_SET 和 IPC_RMID 操作，否则会因 EPERM 错误失败。
3. 系统资源查看：
- 可通过命令行工具 ipcs -m 查看共享内存段列表， ipcrm -m shmid 等价于 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) 。
七、总结
shmctl 是共享内存管理的核心接口，负责完成从属性查询到资源释放的全生命周期操作。合理使用 IPC_STAT 、 IPC_SET 和 IPC_RMID ，可确保多进程环境下共享内存的安全与高效使用。