第 54 章 POSIX 共享内存 (POSIX Shared Memory)
核心结论
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POSIX shm 定位：避免 SysV shm 的「key+id」非文件模型；避免共享 file mapping 必须创建磁盘文件的开销——纯内存、无文件 I/O 开销。
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两步使用法：shm_open()（返回 fd，类似 open）+ mmap(MAP_SHARED)（映射到地址空间）——所有 POSIX shm 操作基于 fd。
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核心 API：shm_open / shm_unlink / ftruncate / mmap / munmap / close / fstat / fchmod / fchown。
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创建后必须 ftruncate：shm_open 返回的对象初始长度 0——必须 ftruncate(fd, size) 设大小后才能 mmap；扩展后新字节自动初始化 0。
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close-on-exec：shm_open 返回的 fd 默认 FD_CLOEXEC——exec 自动关闭；mmap 后可 close(fd)（fd 仅用于 mmap）。
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Linux 实现：kernel 2.4+ 支持；用 tmpfs（
/dev/shm）；总大小受 tmpfs 大小限制（默认 256 MB）；可用 mount -o remount,size=N 调整。 -
vs SysV shm：POSIX 优点——文件模型一致（用 fstat/ftruncate）、可 ftruncate 调整大小；POSIX 缺点——可移植性略差（Linux 2.4+）。
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共享内存三件套：SysV shm（key+id）、shared file mapping（有 disk file）、POSIX shm（无 disk file）——共同点：fast IPC、需 sem 同步、用 offset 不用绝对指针。
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本章主旨
POSIX 共享内存是第 48 章 SysV 共享内存的现代替代——核心改进是「文件模型」（shm_open 返回 fd）+「可调整大小」（ftruncate）。读者需要建立三组对比：(1) POSIX shm vs SysV shm——POSIX 用 fd 一致性更好、SysV 用 key+id 较老；(2) POSIX shm vs shared file mapping——POSIX 无磁盘开销、file mapping 持久化；(3) mmap(MAP_SHARED) 通用——POSIX shm + shared file mapping 都用 mmap 映射。共享内存必须配合 sem（第 53 章）做同步。 |
一、核心概念
本章围绕 6 个核心概念展开：shm_open 模型、ftruncate 设大小、mmap 映射、引用计数删除、三种 shm 对比、offset 存储。
| 概念 | 定义 + 重要性 | 实现提示 |
|---|---|---|
shm_open 模型 |
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§54.2；表 54-1；close-on-exec 默认开启；返回的 fd 可用 fstat/ftruncate/fchmod |
ftruncate 设大小 |
新创建的对象初始长度 0——必须 ftruncate(fd, size) 设大小后才能 mmap；扩展后新字节自动 0；可后续再次 ftruncate 调整 |
§54.2；ftruncate + mmap 是 POSIX shm 的标准两步；扩展后再 mmap 需 munmap + mmap 或 mremap |
mmap 映射 |
`mmap(NULL, size, PROT_READ |
PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)` 把 shm 对象映射到进程地址空间；返回指针 |
§54.3；mmap 后可 close(fd)（fd 仅需用于 mmap）；mmap 与 shm_open 解耦 |
shm_unlink 引用计数删除 |
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§54.4；与 SysV IPC_RMID 显式删除不同；unlink 后再 shm_open 创建新对象 |
vs SysV shm vs shared file mapping |
POSIX 优点：文件模型、可调大小、fstat；缺点：可移植性差；shared file mapping 优点：可持久化跨重启 |
§54.5；新应用选 POSIX shm 或 shared file mapping；老应用维持 SysV |
offset 而非绝对指针 |
shm 在不同进程映射到不同地址——结构内的指针用 offset（相对 baseaddr）；dereference 时 baseaddr + offset |
二、详细笔记
54.1 shm_open / shm_unlink 模型
What：shm_open 返回 fd（类似 open）；shm_unlink 删除（引用归零销毁）。
Why：与文件模型一致——共享内存对象可用 fstat/ftruncate/fchmod 等通用 fd 操作。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 54 章
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);
int shm_unlink(const char *name);
/* 创建 */
int fd = shm_open("/demo", O_CREAT|O_RDWR, 0660);
if (fd == -1) errExit("shm_open");
ftruncate(fd, 10000);
/* 打开已存在 */
int fd = shm_open("/demo", O_RDWR, 0); /* mode 忽略但需传 */
/* 删除 */
shm_unlink("/demo");oflag（表 54-1）：O_CREAT、O_EXCL、O_RDONLY、O_RDWR、O_TRUNC。
When：(1) 无关进程间共享内存——首选 POSIX shm；(2) 需调整大小——ftruncate 多次；(3) 守护进程创建后立即 unlink（避免名字残留）。
Example：第 54 章 pshm_create -c /demo_shm 10000 创建 10 KB 共享内存；ls -l /dev/shm 看到 demo_shm。
54.2 ftruncate 与 mmap 两步法
What：POSIX shm 必须先 ftruncate 设大小，再 mmap 映射。
Why：shm_open 创建的对象初始长度 0——不 ftruncate 直接 mmap 看不到任何字节。
How：
// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 54 章
/* 完整两步法 */
int fd = shm_open("/demo", O_CREAT|O_RDWR, 0660);
if (fd == -1) errExit("shm_open");
if (ftruncate(fd, 10000) == -1) /* 必须设大小 */
errExit("ftruncate");
char *addr = mmap(NULL, 10000, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (addr == MAP_FAILED) errExit("mmap");
/* mmap 后 fd 可关——mmap 已建立映射 */
close(fd);
/* 写数据 */
strcpy(addr, "hello, shm");When：(1) 创建新对象——shm_open + ftruncate + mmap；(2) 调整大小——ftruncate 后需 munmap + mmap 重新映射；(3) mmap 后 close(fd) 安全——fd 仅用于 mmap。
Example：第 54 章 pshm_write.c open 现有对象 → ftruncate(fd, strlen(argv[2])) → mmap → memcpy(addr, argv[2], len)。
54.3 引用计数删除语义
What：shm_unlink 立即删名字；引用（mmap 计数）归零才真销毁。
Why：POSIX IPC 三件套统一语义——避免 SysV 「最后用户忘记删」的问题。
How：
| 操作 | 文件名 | 对象 |
|---|---|---|
|
存在 |
refcount = N+1（mmap 计数） |
|
仍存在 |
refcount = N-1 |
|
立即删除 |
对象保留到所有 munmap |
refcount = 0 |
已删除 |
对象销毁（ftruncate 之前的 0） |
When：(1) 进程退出——自动 munmap；(2) unlink 不影响已 mmap 的进程；(3) 守护进程创建后立即 unlink——避免名字残留。
Example：服务器 shm_open("/x") → shm_unlink("/x") → mmap → 服务；客户端 shm_open("/x")（重建空对象，但 unlink 时 refcount=0）→ 失败。所以通常服务器 unlink 必须在所有客户端都 mmap 之后，或根本不 unlink。
54.4 与 SysV shm、shared file mapping 对比
What：三种进程间共享内存技术——SysV shm、shared file mapping、POSIX shm。
Why：理解三者取舍——决定项目用哪个。
How：
| 维度 | SysV shm | shared file mapping | POSIX shm |
|---|---|---|---|
标识 |
key + id（shmget） |
文件名 + fd（open） |
名字 + fd（shm_open） |
持久化 |
内核持久 |
文件持久（跨重启） |
内核持久（tmpfs） |
大小调整 |
固定（shmget 时） |
ftruncate 灵活 |
ftruncate 灵活 |
实现 |
tmpfs（内核） |
真实磁盘文件 |
tmpfs（无磁盘文件） |
可移植性 |
SUSv3 强制 |
SUSv3 + POSIX |
SUSv3 可选 |
操作 API |
shmctl（专用） |
fstat/ftruncate/fchmod（通用） |
fstat/ftruncate/fchmod（通用） |
文件系统位置 |
（无） |
用户指定路径 |
/dev/shm/ |
Linux 支持 |
早期 |
早期 |
kernel 2.4+ |
When：(1) 新项目 Linux 为主 + 不需持久化——POSIX shm；(2) 需跨重启持久化——shared file mapping；(3) 多 UNIX 平台——SysV shm（最可移植）；(4) POSIX shm + sem 是现代 Linux 首选组合。
Example：第 48 章 svshm_xfr 用 SysV shm；第 49 章 t_mmap 用 shared file mapping；本章 pshm_* 用 POSIX shm——同一应用三种实现。
54.5 offset 而非绝对指针
What：shm 在不同进程可能映射到不同虚拟地址——共享内存数据结构用 offset 而非绝对指针。
Why：避免「A 进程的指针在 B 进程无效」导致崩溃。
How：
// 摘自第 48 章 §48.6 模式（POSIX shm 同理）
struct shm_data {
int cnt;
off_t next_off; /* 链表下一节点偏移（不是指针） */
char buf[BUF_SIZE];
};
/* 写入：相对 baseaddr 的偏移 */
struct shm_data *base = (struct shm_data *)shm_addr;
base->next_off = (char *)target - (char *)base;
/* 读取：baseaddr + offset dereference */
struct shm_data *next = (struct shm_data *)((char *)base + base->next_off);When：(1) shm 内的链表/树——用 offset 串起来；(2) shm 内的指针字段——绝对指针 = 数据损坏；(3) shm 内字符串指针——也用 offset。
Example：第 48 章 svshm_xfr_writer.c 用 shmp→cnt + shmp→buf 简单结构，不嵌套指针——是「反例」（也是好习惯）。
查看 tmpfs 容量
df -h /dev/shm
调整 tmpfs 大小（需要 root）
mount -o remount,size=1G /dev/shm
挂载点有 sticky 位——非特权只能删自己的
ls -ld /dev/shm # drwxrwxrwt … /dev/shm
*When*：(1) 调试——`ls /dev/shm/` 看 shm 残留；(2) tmpfs 满——`df` 看是否超限；(3) 大量 shm——调整 tmpfs 大小（默认 256 MB）。 *Example*：第 54 章示例——`./pshm_create -c /demo_shm 10000; ls -l /dev/shm` 看到 `demo_shm` 10000 字节。 == 三、关键图表 [NOTE] .非可视化条目（API / 对比） ==== [cols="1,3", options="header"] |=== | 类别 | 内容 | 核心 API | `shm_open(name, oflag, mode)` → fd；`shm_unlink(name)`；`ftruncate(fd, size)`；`mmap(..., MAP_SHARED, fd, 0)`；`munmap`；`close(fd)` | shm_open oflag | O_CREAT、O_EXCL、O_RDONLY、O_RDWR、O_TRUNC | 默认 fd 标志 | close-on-exec（FD_CLOEXEC）；exec 自动关闭 | 初始大小 | 0；必须 ftruncate 设大小后才能 mmap | 扩展行为 | 扩展后新字节自动 0；ftruncate 后需 munmap + mmap | 文件系统 | Linux tmpfs `/dev/shm`；sticky 位；默认 256 MB | 调整大小 | `mount -o remount,size=N /dev/shm`（root） | 删除 | `shm_unlink` 立即删名字；引用归零销毁；不影响现有映射 | 删除命令行 | `rm /dev/shm/<name>`（非特权只能删自己的） | 通用 fd 操作 | fstat、ftruncate、fchmod、fchown 都可用 | Linux 支持 | kernel 2.4+ | vs SysV shm | POSIX 用 fd 一致性好；可调大小；可移植性差 | vs shared file mapping | POSIX 无磁盘文件；file mapping 跨重启持久化 | offset 存储 | 共享内存内指针用 offset（相对 baseaddr）；绝对指针 = 崩溃 |=== ==== == 四、思维导图 [source,mermaid]
mindmap root第 54 章 POSIX 共享内存 shm_open 模型 返回 fd 类似 open close on exec ftruncate 设大小 mmap 映射 tmpfs dev shm 虚拟文件系统 sticky 位 默认 256 MB mount remount 调整 ftruncate mmap 初始大小 0 必须 ftruncate mmap 后 close fd 扩展新字节 0 shm_unlink 立即删名字 引用归零销毁 不影响现有映射 vs SysV IPC_RMID 三种共享内存 SysV shm key id shared file mapping POSIX shm fd POSIX 现代首选 SysV 最可移植 offset 存储 不同进程不同地址 指针用 offset baseaddr 相对 链表树用 offset
五、重点与易错点
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shm_open 返回 fd 但不是普通文件——必须在 tmpfs；不能用普通文件 I/O（read/write/lseek）；必须 mmap 后用指针访问。
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必须 ftruncate 设大小——shm_open 创建的对象初始 0；不 ftruncate 直接 mmap 看不到任何字节。
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扩展后需 munmap + mmap——ftruncate 扩大的部分不自动让现有映射看到；必须重新 mmap 或用 mremap。
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mmap 后 close(fd) 安全——fd 仅用于 mmap；mmap 已建立映射；fd 关了不影响映射。
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shm_unlink 不影响现有映射——unlink 后已 mmap 的进程仍可用；refcount=0 才真销毁。
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close-on-exec 默认开启——shm_open 返回的 fd 默认 FD_CLOEXEC；exec 自动关闭。
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Linux shm 在 /dev/shm——tmpfs 文件系统；sticky 位——非特权只能 unlink 自己的对象。
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tmpfs 默认 256 MB——大量 shm 需调整；
mount -o remount,size=N。 -
POSIX shm vs SysV shm 选择——新项目 Linux 选 POSIX（API 一致 + 可调大小）；多 UNIX 选 SysV。
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POSIX shm vs shared file mapping——不需持久化用 POSIX shm（无磁盘开销）；需跨重启持久化用 file mapping。
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共享内存必须同步——shm 不自动同步；用 POSIX sem（第 53 章）或 pthread mutex 协调。
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shm 内指针用 offset——绝对指针在跨进程会崩溃；链表/树用 offset 串起来。
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shm_open 不支持 O_WRONLY——只支持 O_RDONLY 与 O_RDWR；这与 open 不同。
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POSIX shm 不被 unlink 前一直存在——内核持久；不像 mmap anon 是「fork 后父子共享」；shm 跨 fork/exec 持久。
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跨章衔接：第 48 章 SysV shm（key+id）；第 49 章 mmap（基础）；第 53 章 POSIX sem（同步 shm 的工具）；第 47 章 SysV sem（与 SysV shm 配对）；第 51 章 POSIX IPC 概述（API 模型）。