Linux 共享内存与内存映射

管道每传一次数据都要经过内核中转，共享内存是 Linux 里最快的 IPC 方式：多个进程映射同一块物理内存，读写不经内核搬运。实现它有两条路——System V 共享内存（shmget 一族）和内存映射（mmap）。本文写给需要高频进程间数据交换的开发者，讲清两条路的接口、易错点与选择依据。

两条路的共同原理

普通 IPC（管道、消息队列）需要「发送方从用户空间复制进内核、接收方再从内核复制回用户空间」两次拷贝；共享内存与 mmap(MAP_SHARED) 都把同一物理页装进各进程的地址空间，数据本身不动，天然没有这两次拷贝，这也是两者速度都快的原因。代价是需要自己解决同步（通常配合信号量使用）。

内存映射 mmap

mmap 把磁盘文件映射进内存：返回一个指针，写这块内存等于写文件（MAP_SHARED 模式下自动同步回磁盘）。

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
// addr：传 NULL 由内核选择地址
// length：映射长度，不能为 0，建议取文件实际大小（stat/lseek 获取）
// prot：PROT_READ / PROT_WRITE / PROT_EXEC / PROT_NONE，
//       操作映射内存必须至少含 PROT_READ
// flags：MAP_SHARED（写回文件，IPC 必须用它）或
//        MAP_PRIVATE（写时复制，改动不影响原文件）
// fd：open 得到的文件描述符，文件大小不能为 0，
//     open 的权限不能与 prot 冲突（见下方易错点）
// offset：偏移量，必须是页大小（通常 4KB）的整数倍，0 表示从头映射
// 返回：成功返回映射区首地址，失败返回 MAP_FAILED（(void *) -1）

int munmap(void *addr, size_t length);   // 释放映射，addr 必须是 mmap 的返回值

父子进程通信

fork 之前建好映射区，子进程直接继承：

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <wait.h>

int main() {
    int fd = open("test.txt", O_RDWR);          // 目标文件，需非空
    int size = lseek(fd, 0, SEEK_END);

    void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) {
        wait(NULL);
        char buf[64];
        strcpy(buf, (char *)ptr);               // 父进程读到子进程写入的数据
        printf("read data: %s\n", buf);
    } else if (pid == 0) {
        strcpy((char *)ptr, "hello from child");
    }

    munmap(ptr, size);
    return 0;
}

无关进程通信则各自 open 同一个文件、各自 mmap，效果相同。注意 mmap 通信是非阻塞的：对面还没写入时读到的是映射区的当前内容，同步要靠应用层约定。

七个易错点

1. 对返回值 ptr 做 ptr++ 之后再 munmap(ptr, len) 会失败——释放必须传映射时的首地址，原值要留存
2. open 用了 O_RDONLY，prot 却要 PROT_READ | PROT_WRITE：返回 MAP_FAILED。open 权限应与 prot 一致（prot 要写则 open 必须读写）
3. offset 不是页大小整数倍：返回 MAP_FAILED（EINVAL）
4. 其他失败情形：length 为 0；prot 只给 PROT_WRITE（不给读权限）；prot 与 open 权限冲突
5. 想映射 O_CREAT 新建的空文件：文件大小为 0 不行，先扩展（lseek 到末尾写一个字节，或 truncate()）
6. mmap 之后 close(fd)：映射依然有效，close 不影响已建立的映射
7. 只映射 100 字节却访问第 101 字节：越界访问非法内存，段错误

System V 共享内存

System V shm 不依赖文件，直接向内核申请一段内存，用 key 标识：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// 创建或获取一个共享内存段，返回其 id
// key：非 0 标识（常用 ftok 生成）；size：段大小（新建时有效，新建内容清零）
// shmflg：权限（如 0664）附加 IPC_CREAT（不存在则创建）、
//         IPC_CREAT | IPC_EXCL（已存在则报错，用于探测）
// 常见组合：IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
// 把段附加到本进程，返回首地址
// shmaddr 传 NULL 由内核选址；shmflg 传 0 读写、SHM_RDONLY 只读

int shmdt(const void *shmaddr);    // 分离（进程退出时自动分离）

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
// cmd：IPC_STAT 读状态 / IPC_SET 设状态 / IPC_RMID 标记删除
// IPC_RMID 时 buf 传 NULL

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
// 用一个存在的路径 + 8 位项目号（0-255，习惯传字符如 'a'）生成 key

使用流程：shmget 创建/获取 → 两边 shmat 附加 → 读写 → shmdt 分离 → 一方 shmctl(IPC_RMID) 标记删除。

两个关键行为：

• 删除是标记式的。IPC_RMID 之后段并不会立刻消失，要等所有附加进程都分离（shm_nattch 降为 0）才真正销毁；标记后 ipcs 里该段的 key 显示为 0（Linux 的实现行为，内核将其置为 IPC_PRIVATE；规范记载的标志是 shm_perm.mode 中的 SHM_DEST）。因此多次调用 IPC_RMID 是安全的
• 进程退出会自动分离，但不会自动删除段——忘记 IPC_RMID 的段会一直留在内核里，重启前都能用 ipcs 看到

查看与清理命令

ipcs -a    # 所有 IPC 设施
ipcs -m    # 共享内存段
ipcs -q    # 消息队列
ipcs -s    # 信号量

ipcrm -m shmid      # 按 id 删除共享内存段
ipcrm -M shmkey     # 按 key 删除共享内存段
ipcrm -q msqid / -Q msgkey / -s semid / -S semkey   # 消息队列、信号量同理

两者怎么选

维度	System V 共享内存	mmap 内存映射
依赖	不需要文件（匿名 IPC key 即可）	需要一个磁盘文件（匿名映射除外）
数据搬运	都不经内核拷贝，性能同级	同左
地址空间	所有进程附加同一块共享内存	每个进程有自己的虚拟映射，指向同一物理页
进程崩溃	段还在，数据可恢复访问	映射消失，但数据已在文件里
整机断电	内存数据丢失	文件内容还在（已同步的部分）
生命周期	显式 IPC_RMID 且全部分离后才销毁	进程退出映射即销毁

选择依据归纳：需要数据在进程崩溃后仍可访问、或顺便落盘，用 mmap 映射文件；纯粹的高性能临时共享、不想管理文件，用 System V shm（或 POSIX 的 shm_open + mmap，接口更现代）。无论哪条路，同步都要另配信号量或应用层协议。

要点

• 共享内存与 mmap(MAP_SHARED) 都免除了内核中转的两次拷贝，是最快的 IPC；同步需自理
• mmap 五个硬约束：length 非 0、offset 页对齐、open 权限与 prot 一致、文件非空、munmap 用原首地址
• System V shm 的 IPC_RMID 是标记删除，nattch 归 0 才真正销毁；进程退出只分离不删除
• 遗留的段用 ipcs -m 查看、ipcrm -m 清理
• 数据要落盘或跨崩溃存活选 mmap；纯内存高速共享选 shm

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