前言

进程是操作系统资源分配的最小单位，每个进程拥有独立的虚拟地址空间，进程与进程之间默认不能互相访问对方内存。如果不同进程需要交换数据，就必须依靠进程间通信 (IPC)。

前面我们了解了管道、信号、消息队列，本篇重点讲解共享内存与有名信号量 (System V 信号量)，共享内存是所有 IPC 机制中效率最高的进程间通信方式，而信号量主要用来做同步互斥，解决多进程访问共享资源产生的资源竞争问题。

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一、共享内存

1. 什么是共享内存

共享内存是进程间通信效率最高的一种 IPC 方式。 内核在物理内存开辟一块内存空间，多个进程将这块物理内存映射到自己的虚拟地址空间中。多个进程直接读写这块映射后的地址，数据不需要在内核态和用户态之间来回拷贝，因此速度极快。

⚠️注意：共享内存本身不提供同步互斥机制。多个进程同时读写共享内存会产生资源竞争，需要配合信号量 / 互斥锁完成同步控制。

2. 共享内存完整操作步骤

1. 使用ftok生成 IPC 的 key 键值（IPC 对象标识符）
2. shmget：创建 / 获取共享内存，得到共享内存 ID (shmid)
3. shmat：将共享内存映射到当前进程虚拟地址空间，得到可用的内存首地址
4. 直接对映射后的内存地址读写，完成进程间数据交互
5. shmdt：进程用完之后，解除映射（不是删除共享内存，只是当前进程脱离这块内存）
6. shmctl：销毁共享内存对象，释放内核资源

3. 核心 API 函数详解

① ftok — 生成 IPC 键值 key_t

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

• 参数
  • pathname：必须是一个存在的文件 / 目录路径
  • proj_id：项目 ID，仅低 8 位有效 (0~255)
• 返回值：成功返回 key_t 键值；失败返回-1

同一个 pathname + 同一个 proj_id，会生成同一个 key 值，不同进程使用相同 key 就可以拿到同一个共享内存对象。

② shmget — 创建或者获取共享内存

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

• 参数
  • key：ftok 生成的 IPC 键
  • size：共享内存大小，建议为 4K 的整数倍（内存页大小）
  • shmflg：标志位
    • IPC_CREAT：如果共享内存不存在则创建；存在则直接获取
    • IPC_EXCL：配合 IPC_CREAT，如果对象已经存在，则报错返回
    • 还可以或上权限位，如0664
• 返回：成功返回共享内存 IDshmid；失败返回-1

③ shmat — 把共享内存映射到进程地址空间

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

• 参数
  • shmid：shmget 返回的共享内存 id
  • shmaddr：指定映射到进程的哪个虚拟地址，传 NULL 由操作系统自动选地址（推荐）
  • shmflg：映射属性，0 为可读可写；SHM_RDONLY 代表只读映射
• 返回值：成功返回映射后的内存首地址；失败返回(void*)-1

拿到返回的指针之后，就像操作普通内存一样读写，进程就可以和别的进程交换数据。

④ shmdt — 解除映射

int shmdt(const void *shmaddr);

• 参数：shmat 返回的映射地址
• 返回：成功返回 0；失败返回 - 1

⚠️重点：shmdt仅仅是让当前进程脱离共享内存，不会销毁内核中的共享内存对象，其他进程依旧可以使用这块共享内存。

⑤ shmctl — 共享内存控制（获取状态、设置权限、删除）

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

• 参数
  • shmid：共享内存 ID
  • cmd控制命令：
    • IPC_STAT：获取共享内存属性，存入 buf
    • IPC_SET：修改共享内存权限
    • IPC_RMID：销毁共享内存对象，当所有进程都解除映射之后，内核真正释放内存
  • buf：属性结构体指针，IPC_RMID 时传 NULL 即可
• 返回值：成功返回 0；失败返回 - 1

4. 命令行操作共享内存 (System V IPC)

# 查看所有IPC对象(消息队列、共享内存、信号量)
ipcs

# 只查看共享内存
ipcs -m

# 根据shmid删除共享内存
ipcrm -m shmid

# 根据key键删除共享内存
ipcrm -M key值

5. 简单示例框架

//写进程示例
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>

#define SHM_SIZE 1024

int main()
{
    key_t key = ftok(".", 100);
    int shmid = shmget(key,SHM_SIZE,IPC_CREAT|0664);
    char *p = shmat(shmid,NULL,0);

    strcpy(p,"hello 共享内存");

    shmdt(p);
    return 0;
}

读进程使用相同 key，shmget、shmat 拿到同一块内存，直接读取地址中的内容即可。 实际项目中必须搭配信号量做同步，防止一个进程读的时候另一个进程正在写。

二、System V 有名信号量（信号灯）

注意区分：posix 无名信号量 (线程用) 和 System V 信号灯集合，这里讲的是 IPC 有名信号量，用于进程间同步互斥。 信号量本质是内核维护的资源计数器，用于进程 / 线程之间做同步与互斥，解决共享资源竞争问题。

1. 核心概念

信号量是一个资源计数：

1. 申请资源（P 操作，semop 减计数）：资源 > 0，占用资源，计数 - 1；资源 = 0，进程阻塞等待资源
2. 释放资源（V 操作，semop 加计数）：资源计数 + 1，唤醒等待该资源的阻塞进程

System V 信号量是以信号量数组（集合） 的形式存在，一个信号量集合里面可以包含多个信号量。

2. 操作步骤

1. ftok 生成 key
2. semget 创建 / 获取信号量集合，指定集合内信号量的个数
3. semctl：初始化信号量的计数值；也可以用来删除信号量集合
4. semop：执行 P (申请资源)、V (释放资源) 操作
5. 使用完毕调用semctl执行IPC_RMID销毁信号量集合

3. API 详解

① semget 创建信号量集合

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

• 参数
  • key：ftok 生成 IPC 键
  • nsems：信号量集合里面有多少个信号量
  • semflg：IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664
• 返回：成功返回信号量集合 ID (semid)，失败返回 - 1

② semctl 信号量控制：初始化、删除

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

• 参数
  • semid：信号量集合 id
  • semnum：要操作集合中第几个信号量的下标，从 0 开始
  • cmd：
    • SETVAL：设置单个信号量的初始计数值，第四个参数传联合体union semun
    • IPC_RMID：删除整个信号量集合，此时 semnum 参数被忽略

注意：System V 信号量创建之后不会自动初始化，必须手动 SETVAL 设置初值，这是极易踩坑点！

③ semop：执行 P/V 操作（核心）

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

struct sembuf结构体：

unsigned short sem_num;  /* 集合中信号量下标 */
short          sem_op;   /* P/V操作值：负数P申请；正数V释放 */
short          sem_flg;  /* 标志，一般填0；IPC_NOWAIT非阻塞 */

• sem_op < 0：P 操作，申请资源，计数减去绝对值，资源不足则阻塞
• sem_op > 0：V 操作，释放资源，计数加上这个正数
• nsops：本次执行多少个 sembuf 操作

返回值：成功 0；失败 - 1

4. 命令行操作信号量

ipcs -s                 #查看System V信号量集合
ipcrm -s semid          #按id删除信号量集合
ipcrm -S key            #按key删除信号量集合

三、共享内存 + SystemV 信号量使用注意事项

1. 共享内存没有自带同步，一定要搭配信号量 / 锁，否则出现数据错乱。
2. System V 信号量创建后不会自动初始化，必须手动SETVAL设置初值。
3. IPC 对象（共享内存、消息队列、信号量）内核不会自动回收，进程退出不会自动删除，程序异常退出容易造成内核 IPC 对象泄露，需要手动调用 semctl/shmctl 删除，或者使用ipcrm命令清理。
4. 信号量的sem_flg默认 0 是阻塞等待，如果设置IPC_NOWAIT，资源不足时不会阻塞，直接返回错误。

四、补充：System V IPC 共性总结

表格

IPC 对象	创建函数	删除方式	查看命令
消息队列	msgget	msgctl IPC_RMID	ipcs -q
共享内存	shmget	shmctl IPC_RMID	ipcs -m
信号量集合	semget	semctl IPC_RMID	ipcs -s

全部依赖ftok生成 key，都可以通过ipcs/ipcrm命令行调试。

提示：现在新开发项目也会推荐 POSIX 信号量、mmap 共享内存，但是 System V 这套是嵌入式、Linux 后端面试高频考点。

五、面试常考问题

1. 共享内存为什么通信速度最快？

数据不需要在内核缓冲区和用户缓冲区之间来回拷贝，进程直接映射物理内存，用户态直接读写物理内存。

1. 共享内存既然这么快，还需要信号量干什么？

共享内存只负责数据传输，没有同步互斥能力；信号量负责控制访问时序，防止多个进程同时读写产生数据竞争。

1. shmdt 之后共享内存还存在吗？

存在，shmdt 仅仅解除本进程映射；必须 shctl IPC_RMID 才会标记删除，等所有进程全部解除映射才真正释放内存。

1. System V 信号量和 Posix 信号量区别？

System V 是信号量集合，多用于进程间；Posix 分为有名 / 无名，无名多用于线程同步。