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第 48 章 System V 共享内存 (System V Shared Memory)

      +

      核心结论

      • 共享内存本质：多个进程把同一物理页映射到自己的虚拟地址空间——「无内核介入」最快的 IPC；写后其他进程立即可见。

      • shmget 创建/打开：shmget(key, size, shmflg) 创建/打开指定字节的 shm 段（按页对齐）；返回 shmid。

      • shmat / shmdt 映射/解除：shmat(id, NULL, 0) 把 shm attach 到进程虚拟地址空间返回指针（推荐 NULL 让内核选地址）；shmdt(addr) 解除（进程退出自动 detach）。

      • 共享内存坐标 = 指针 vs 偏移：因为 shm 在不同进程可能 attach 到不同地址——存储「指针」用 偏移（相对 baseaddr），不要存绝对指针；链表/树用 offset 串起来。

      • shmctl 控制：IPC_RMID 标记待删（nattch=0 才真删）；IPC_STAT/SET；SHM_LOCK/UNLOCK 锁页（2.6.10+ 非特权可锁 own 段）。

      • 典型用法：和 SysV 信号量（binary sema）配合——一个 sem 控制「共享内存互斥访问」，一个 sem 控制「读/写轮流」——见 svshm_xfr_writer/reader.c。

      • Limits：SHMMNI (段数)、SHMMAX (单段最大)、SHMALL (系统总页)；/proc/sys/kernel/shm* 调整；SHM_HUGETLB 用 huge pages。

      本章主旨

      SysV 共享内存是「最快的 IPC」——一次 shmat 后，进程对 shm 内存的读写直接命中物理页，不经内核。本章覆盖 (1) shmget/shmat/shmdt/shmctl 的具体语义；(2) shmid_ds 字段；(3) 偏移而非指针存储（关键点！）；(4) 与 sem 配合的经典模式（svshm_xfr）；(5) /proc/PID/maps 中的表现。读者应理解 shm 不是「IPC 自动同步」——必须用 sem 或 file lock 协调；用绝对指针会因不同进程 attach 地址不同而崩溃。

      一、核心概念

      本章围绕 6 个核心概念展开：从 shm 速度本质、shmget/shmat/shmdt、shmid_ds、shmctl、坐标存储、Limits。

      概念 定义 + 重要性 实现提示

      shm 本质（最快 IPC）

      多进程把同一物理页映射到自己虚拟地址；写后其他进程立即可见；不需内核介入；user→user 而非 user→kernel→user

      §48.0；shm 不是「自动同步」——必须用 sem/file lock；shm 段用 tmpfs 实现（§48.5）

      shmget + shmat + shmdt

      shmget(key, size, …​) 创建/打开 N 字节段（按页对齐）；shmat(id, NULL, 0) attach 返回指针；shmdt(ptr) 解除

      §48.2-3；shmat NULL 让内核选地址（最常见）；SHM_RDONLY 只读 attach；shmat 后像普通 C 指针

      shmid_ds 关联数据

      shm_perm/shm_segsz/shm_atime/shm_dtime/shm_ctime/shm_cpid/shm_lpid/shm_nattch——nattch = 0 时段被实际删除

      §48.8；shm_perm.mode 含 SHM_DEST（待删）和 SHM_LOCKED（已锁）两个 read-only flag

      shmctl IPC_RMID 延迟删除

      IPC_RMID 把 shm 段标记为「待删除」；nattch=0 时才真删——不阻塞 detach 进程；Linux 还允许「已 IPC_RMID 但 nattch>0」的 attach（其他 UNIX 多禁止）

      §48.7；server 创建段后立即 IPC_RMID——「unlink 立即删」语义；不需要最末用户记 IPC_RMID

      坐标用偏移（关键）

      shm 在不同进程 attach 到不同地址——结构内的「指针」用 offset（相对 baseaddr）；*(int *)p = (int)((char *)target - (char *)baseaddr)；dereference 时 baseaddr + *p

      §48.6；树/链表在 shm 里都用 offset 串起来；用绝对指针 = 数据损坏

      shm + sem 协调模式

      svshm_xfr_writer + svshm_xfr_reader：两个 sem (WRITE_SEM, READ_SEM) 控制「writer 写时 reader 等；reader 读时 writer 等；EOF = cnt=0」——经典 1-reader-1-writer 协议

      §48.4；binary_sems.c 的 reserveSem/releaseSem 简化实现；shm 段含 struct shmseg { int cnt; char buf[BUF_SIZE]; }

      二、详细笔记

      48.1-48.2 shmget 创建/打开

      What：shmget(key, size, shmflg) 创建/打开共享内存段。

      Why：最快的 IPC——写后立即可见。

      How：

      // 摘自《The Linux Programming Interface》 第 48 章
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);    /* 返 shmid 或 -1 */

/* 创建 1K 段 */
int shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, 0660);

/* 打开已存在 */
int shmid = shmget(key, 0, 0);    /* size 忽略但须 ≤ 实际大小 */

      shmflg flags： . 9 个低 bit = mode。 . IPC_CREAT/IPC_EXCL 同其他 SysV IPC。 . SHM_HUGETLB（Linux 2.6+）：特权 (CAP_IPC_LOCK) 才能用——用 huge pages 减少 TLB miss。 . SHM_NORESERVE（Linux 2.6.15+）：不预留 swap（同 MAP_NORESERVE）。

      size 按页对齐——实际段大小 = ceil(size / page_size) * page_size。

      When：server 启动用 shmget(IPC_PRIVATE, …​) 或 ftok 后 shmget(key, IPC_CREAT, …​)。

      48.3 shmat + shmdt 映射/解除

      What：把 shm 段 attach 到当前进程的虚拟地址空间；返回的指针可像普通 C 指针使用。

      Why：attach 后程序可读写；detach 后虚拟地址释放。

      How——推荐用法（NULL 让内核选地址）：

      // 摘自《The Linux Programming Interface》 第 48 章
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int   shmdt(const void *shmaddr);

/* NULL shmaddr = 内核选地址（最安全） */
struct shmseg *shmp = (struct shmseg *)shmat(shmid, NULL, 0);
if (shmp == (void *)-1) errExit("shmat");

/* 只读 attach */
shmp = (struct shmseg *)shmat(shmid, NULL, SHM_RDONLY);

/* 解除 */
shmdt(shmp);

      shmflg flags： . SHM_RDONLY：只读 attach。 . SHM_RND：shmaddr 非空时，向下舍入到 SHMLBA 倍数（避免缓存一致性问题）。 . SHM_REMAP（Linux 扩展）：替换 shmaddr 处的旧 mapping。

      shmaddr 建议*：永远传 NULL——非空是高级用法（在不同进程固定地址、缓存控制）。

      attach 权限：shmat 需要 r/w 权限（除非 SHM_RDONLY）。

      exec + shm： . fork() 继承 shm（子共享 attach）。 . exec() 自动 detach 所有 shm。 . 进程终止自动 detach。

      When：所有 shm 程序都按此模式。

      48.4 svshm_xfr——shm + sem 经典实例

      What：svshm_xfr_writer.c + svshm_xfr_reader.c —— 1-reader-1-writer 块传输协议。

      Why：理解 shm 与 sem 如何配合的实际模板。

      How——3 文件：

      // 摘自《The Linux Programming Interface》 第 48 章 Listing 48-1
/* svshm_xfr.h */
struct shmseg {
    int  cnt;                          /* buf 字节数 */
    char buf[BUF_SIZE];                /* 数据 */
};
#define SHM_KEY 0x1234
#define SEM_KEY 0x5678
#define WRITE_SEM 0
#define READ_SEM  1
      // 摘自《The Linux Programming Interface》 第 48 章 Listing 48-2
/* writer：先 init 两个 sem（自己 init sem），create shm，循环 reserve WRITE_SEM */
/* 写数据 → release READ_SEM；EOF = cnt=0 */
int main(void) {
    int semid = semget(SEM_KEY, 2, IPC_CREAT | OBJ_PERMS);
    initSemAvailable(semid, WRITE_SEM);
    initSemInUse(semid, READ_SEM);
    int shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), IPC_CREAT | OBJ_PERMS);
    struct shmseg *shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
    for (;;) {
        reserveSem(semid, WRITE_SEM);
        shmp->cnt = read(STDIN_FILENO, shmp->buf, BUF_SIZE);
        releaseSem(semid, READ_SEM);
        if (shmp->cnt == 0) break;
    }
    /* 清理：等 reader 完成后删 */
    reserveSem(semid, WRITE_SEM);
    semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL);
    shmdt(shmp);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
}
      // 摘自《The Linux Programming Interface》 第 48 章 Listing 48-3
/* reader：循环 reserve READ_SEM；写 stdout；release WRITE_SEM；EOF 退出 */
shmp = shmat(shmid, NULL, SHM_RDONLY);
for (;;) {
    reserveSem(semid, READ_SEM);
    if (shmp->cnt == 0) break;
    write(STDOUT_FILENO, shmp->buf, shmp->cnt);
    releaseSem(semid, WRITE_SEM);
}
shmdt(shmp);
releaseSem(semid, WRITE_SEM);    /* 通知 writer 可清理 */

      When：写「shm 块传输」应用的标准模板；可扩到 N-reader-N-writer（用 4 个 sem）。

      48.5 共享内存虚拟地址位置

      What：shm attach 的虚拟地址在 task_unmapped_base 之上（x86-32 = 0x40000000）；mmap 也在同一区域。

      Why：理解 /proc/PID/maps 的输出——shm 段 vs mmap vs shared library。

      How——/proc/PID/maps 行：

      b7bed000-b7f0d000 rw-s 00000000 00:09 9666565  /SYSV00000000 (deleted)
b7f0d000-b7f26000 rw-s 00000000 00:09 9633796  /SYSV00000000 (deleted)

      解读： . 起始-结束地址 . 权限 rw-s（read+write+shared） . 文件偏移（shm 总是 0） . dev:inode（shm 是 tmpfs 文件的 inode） . 名称：/SYSV<key>（IPC_PRIVATE 时是 0） . (deleted)：tmpfs 文件被 unlink 但 mapping 还在——是 Linux 共享内存的实现方式

      When：调试时 /proc/PID/maps 是最直接的 shm 调试工具。

      48.6 共享内存中存指针——必须用偏移

      What：shm 在不同进程 attach 到不同地址——存「绝对指针」会让读端拿到错的值。

      Why：*最常见 shm bug*之一。

      How——target = p 的正确做法：

      // 摘自《The Linux Programming Interface》 第 48 章
char *baseaddr = (char *)shmat(...);  /* 自己 attach 的地址 */

/* 设：p 指向的字段应存 target 的「相对 baseaddr 的偏移」 */
*((long *)p) = (long)(target - baseaddr);

/* 用：把偏移加回 baseaddr 得到 target */
target = baseaddr + *((long *)p);
```

或者用「数组 index」——把 shm 当成 fixed-size struct 数组，index 就是天然 offset。

*When*：在 shm 里建链表/树/图结构时永远用 offset。

=== 48.7 shmctl 控制

*What*：`shmctl(shmid, cmd, buf)` 提供控制操作。

*Why*：删除、统计、锁页、改权限。

*How*——常见 cmd：

[source,c]

      shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); /* 标记待删（nattch=0 时真删） / shmctl(shmid, IPC_STAT, &ds); / 取 shmid_ds / shmctl(shmid, IPC_SET, &ds); / 改 uid/gid/mode / shmctl(shmid, SHM_LOCK, NULL); / 锁页（特权 / own segment + RLIMIT_MEMLOCK） / shmctl(shmid, SHM_UNLOCK, NULL); / 解锁 */

      **IPC_RMID 立即删 vs 标记删**：
. shm 不像 msg/sem 立即删；标记为「待删」等 nattch=0。
. 应用模式：server 创建 + attach 后立即 `IPC_RMID`——「unlink 立即删」语义；最末用户 detach 时实际删除。
. Linux 还允许「已 IPC_RMID 但 nattch>0」的 attach（其他 UNIX 多禁止）——可移植代码不要依赖。

*SHM_LOCK 锁页*：
. 把 shm 锁在物理 RAM——不被 swap。
. 2.6.10 之前需要 CAP_IPC_LOCK。
. 2.6.10+ 非特权可锁 own 段（需 RLIMIT_MEMLOCK）。

*When*：server 启动 shm 后立即 `IPC_RMID`；高频实时处理时考虑 `SHM_LOCK`。

=== 48.8 shmid_ds 关联数据

*What*：每 shmid 对应 `struct shmid_ds` 9 字段（§48.8）。

*Why*：决定 IPC_STAT/SET 行为、决定何时真删。

*How*——关键字段：

[source,c]

      struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; /* 权限 / size_t shm_segsz; / 段大小（创建时请求） / time_t shm_atime; / 最后 shmat / time_t shm_dtime; / 最后 shmdt / time_t shm_ctime; / 最后变化 / pid_t shm_cpid; / 创建者 PID / pid_t shm_lpid; / 最后 shmat/shmdt PID / shmatt_t shm_nattch; / 当前 attach 数 */ };

      `shm_perm.mode` 含两个 read-only flag：
. `SHM_DEST`：段被标记待删。
. `SHM_LOCKED`：段已被锁页。

*When*：监控用 `IPC_STAT` 读；`nattch==0` 才是真删。

=== 48.9 共享内存限制

*What*：kernel 限制 SysV shm 数量与大小。

*Why*：防资源耗尽。

*How*——Limits（来自 §48.9 Table 48-2）：

[cols="1,3,2", options="header"]
|===
| 限制 | 含义 | Linux 调整

| SHMMNI
| 最大段数
| ≤ 32768 (IPCMNI)；`/proc/sys/kernel/shmmni`
| SHMMAX
| 单段最大字节
| 实际由 RAM + swap 决定；`/proc/sys/kernel/shmmax`
| SHMALL
| 系统级总页数
| 实际由 RAM + swap 决定；`/proc/sys/kernel/shmall`
| SHMMIN
| 最小段大小
| 固定 1（实际 = page size）
|===

*Linux 没有 SHMSEG*（per-process 限制）。

*SHM_HUGETLB 2.6+*：用 huge page 减少 TLB 压力。

*When*：装大内存应用时调 SHMMAX + SHMALL；做实时/科学计算时考虑 SHM_HUGETLB。

== 三、关键图表

[NOTE]
.非可视化条目（shm 关键 syscall 与 flags）
====
[cols="1,3", options="header"]
|===
| 项 | 描述

| `shmget(key, size, shmflg)`
| 创建/打开；按页对齐
| `shmat(id, NULL, 0)`
| attach 到虚拟地址；返指针
| `shmat(id, NULL, SHM_RDONLY)`
| 只读 attach
| `shmdt(ptr)`
| 解除 attach
| `shmctl(id, IPC_RMID, NULL)`
| 标记待删（nattch=0 时真删）
| `shmctl(id, IPC_STAT/SET, &ds)`
| 读/写 shmid_ds
| `shmctl(id, SHM_LOCK/UNLOCK, NULL)`
| 锁页 / 解锁
| `SHM_HUGETLB`
| Linux：用 huge pages
| `SHM_NORESERVE`
| Linux：不预留 swap
| `SHM_RDONLY / SHM_RND / SHM_REMAP`
| 只读 / 舍入 / 替换
| `fork()`
| 继承 shm attach
| `exec()`
| detach 所有 shm
| `_exit()`
| 自动 detach
| `struct shmid_ds`
| 9 字段：perm/segsz/atime/dtime/ctime/cpid/lpid/nattch
| `shm_nattch`
| 当前 attach 进程数；0 = 真删
| `shm_perm.mode`
| 含 SHM_DEST + SHM_LOCKED 标志
| `proc PID maps`
| 看 shm 映射：`rw-s ... /SYSV<key> (deleted)`
| Limits: SHMMNI/SHMMAX/SHMALL
| 调优点
|===
====

== 四、思维导图

[source,mermaid]

      mindmap root第 48 章 SysV 共享内存 最快 IPC user user 而非 user kernel user 共享物理页 无自动同步 shmget 按页对齐 IPC_PRIVATE 或 ftok SHM_HUGETLB shmat shmdt NULL 让内核选地址 SHM_RDONLY 只读 exec 时自动 detach 偏移而非指针 不同进程 attach 不同地址 target baseaddr 数组 index svshm_xfr 模式 writer reserve WRITE SEM read 写 shm release READ SEM reader 反之 cnt 0 EOF shmid_ds nattch 0 才真删 SHM_DEST 标志 SHM_LOCKED IPC_RMID 立即删 server create 后立即删 nattch 0 时真删 limits SHMMNI 段数 SHMMAX 单段 SHMALL 总页

      五、重点与易错点

      1. shm 是最快的 IPC 但要自己同步——必须有 sem 或 file lock 配合；不要以为「写后立即可见」就够了。

      2. 存指针用偏移——target = baseaddr + *p；绝对指针在不同进程 attach 地址不同时会错位（最常见 shm bug）。

      3. shmget 按页对齐——实际段大小 = ceil(size / page_size) * page_size；多分配一些无妨。

      4. shmat(NULL, …​) 推荐——非 NULL 是高级用法（避免 cache aliasing 等），多数情况 NULL 就够。

      5. shmat 允许多次 attach——同一进程可多次 attach；权限可不同（read-only + read-write 混用）。

      6. shmctl(IPC_RMID) 标记待删——nattch=0 时真删；不是立即删。

      7. 「server 创建后立即 IPC_RMID」是推荐模式——最末 detach 时实际删除；不需要最末用户记 IPC_RMID。

      8. fork 继承 shm——父子共享 attach；exec 自动 detach。

      9. SHM_LOCK 锁页——2.6.10+ 非特权可锁 own 段（用 RLIMIT_MEMLOCK）；实时应用考虑。

      10. Linux 允许「已 IPC_RMID 但 nattch>0」时 attach——可移植代码不要依赖（其他 UNIX 多禁止）。

      11. SHM_HUGETLB——2.6+；用 huge pages 减少 TLB miss；需 CAP_IPC_LOCK。

      12. Limits 调优——/proc/sys/kernel/shmmax/shmall/shmmni 调大后装大内存应用。

      13. tmpfs 实现——shm 段本质是 tmpfs 文件 unlink 后的引用；/proc/PID/maps 显示 /SYSV<key> (deleted)。

      14. 0 长度 mtext——writer 用 cnt=0 表示 EOF（reader 检测 cnt==0 退出）。

      15. 跨章衔接：第 24 章 fork；第 27 章 exec；第 44 章 管道；第 47 章 SysV sem（与 shm 配合）；第 49 章 mmap；第 54 章 POSIX shm。

      Asciidoc lint check

      asciidoctor: 无警告。