Linux 共享内存：进程通信的极速指南

在 Linux 世界中，如何让两个进程高速共享数据？当你面对大量图像帧、传感器数据或高频事件时，传统的进程通信手段往往力不从心。此时，**共享内存（Shared Memory）**便成为了性能最优的通信方式之一。本文将从原理讲起，结合示例代码，深入剖析共享内存的优势、使用方法、同步机制、调试技巧与实战案例，助你构建高效的 IPC 系统。

一、共享内存是什么？为何如此之快？

共享内存是一种内核支持的内存区域，可被多个进程映射并访问。不同于管道、消息队列这些内核“中转站”，共享内存直接让多个进程访问同一块物理内存，不再通过内核进行数据搬运。

为什么共享内存快？

• 零拷贝：传统 IPC 模式一般需要 2 次拷贝（用户态→内核态→用户态），而共享内存为内核直接映射进用户地址空间；
• 无需序列化：不像消息队列或 socket 需要序列化结构体，内存共享可以直接使用结构体/数组；
• 支持大块数据：单次通信可传递 MB ~ GB 级别数据，适合高吞吐应用。

二、共享内存的实现方式全览

方式	特点	接口/API	推荐场景
System V	历史悠久，支持广泛	shmget, shmat, shmdt	老项目兼容
POSIX	现代接口，支持命名共享区	shm_open, mmap, ftruncate	建议首选
匿名 mmap	父子进程使用，超快	mmap + fork	性能极限
文件映射	基于文件的共享方式	mmap + 文件	跨进程缓存
memfd_create (高级)	内核 >= 3.17，支持内存文件	memfd_create	临时共享数据

三、POSIX 共享内存编程指南：从创建到通信

1. 基本流程

1. 使用 shm_open() 创建或打开共享内存对象；
2. 使用 ftruncate() 设置共享内存大小；
3. 使用 mmap() 将共享内存映射进进程地址空间；
4. 多个进程访问该地址即可共享数据；
5. 使用 munmap() 与 close() 清理；
6. 使用 shm_unlink() 删除共享内存对象（全局注销）。

2. 编写 writer.c

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

#define SHM_NAME "/my_shm"
#define SHM_SIZE 4096

int main() {
    int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        perror("shm_open");
        return -1;
    }

    if (ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("ftruncate");
        return -1;
    }

    void* ptr = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return -1;
    }

    const char* message = "Hello from shared memory!";
    memcpy(ptr, message, strlen(message) + 1);
    printf("Writer: wrote message.\n");

    munmap(ptr, SHM_SIZE);
    close(shm_fd);
    return 0;
}

3. 编写 reader.c

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

#define SHM_NAME "/my_shm"
#define SHM_SIZE 4096

int main() {
    int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDONLY, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        perror("shm_open");
        return -1;
    }

    void* ptr = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return -1;
    }

    printf("Reader: %s\n", (char*)ptr);

    munmap(ptr, SHM_SIZE);
    close(shm_fd);
    return 0;
}

4. 编译与测试

gcc writer.c -o writer
gcc reader.c -o reader

./writer
./reader

# 清理共享内存
shm_unlink /my_shm

四、进阶：同步机制与结构体共享

1. 同步机制

共享内存并没有“通信顺序”，因此必须搭配同步机制控制并发访问：

• pthread_mutex（进程间）
• POSIX 信号量（sem_open / sem_wait）
• 原子变量 + busy wait（性能取舍）

共享结构示例（带同步）：

typedef struct {
    pthread_mutex_t mutex;
    char message[256];
} SharedData;

初始化方式：

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_setpshared(&attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
pthread_mutex_init(&shared->mutex, &attr);

一定要注意：锁本身也要放在共享内存中，否则无效！

五、实际场景下的应用与优化建议

1. 场景分析

应用场景	是否适合共享内存
图像帧传输	✅ 高并发大数据
AI 模型通信	✅ 中间 tensor
串口/网络包中转	✅ 高频 IO
事件驱动通信	❌ 信号或队列更好
跨主机通信	❌ 使用 socket

2. 性能优化技巧

• 避免 false sharing：合理对齐结构体字段，避免多个线程/进程访问同一 cache line；
• 减少 mmap/munmap 次数：共享内存可长期驻留，避免频繁映射；
• 信号/锁与数据结构分离：提高数据缓存命中率；
• 预热共享内存页：启动阶段读写共享内存，避免第一次访问发生 page fault。

六、调试与排错

1. 查看系统共享内存状态

ls /dev/shm/

或使用 ipcs -m（System V）

2. 常见错误

• mmap 返回 (void*) -1：通常是权限或 size 设置问题；
• shm_open 返回 -1：检查路径是否带有 /，POSIX 名字必须以 / 开头；
• 多次运行程序共享失败：使用 shm_unlink 清理残留共享对象。

3. 调试技巧

• 用 gdb 附加两个进程，观察映射地址是否一致；
• strace 查看底层系统调用；
• 检查是否使用 MAP_SHARED 而非 MAP_PRIVATE。

七、高级话题：多进程共享 + 多核优化

1. 使用多个 writer/reader 进程

可以通过共享一个循环缓冲区（ring buffer）并结合互斥锁/条件变量，实现多个进程高效并发通信。

2. NUMA 优化

在 NUMA 系统（多 CPU 多内存控制器）中，应该将共享内存分配在所有进程常驻 CPU 所属节点上，可通过 numactl 工具或 mbind() 控制。

八、总结

共享内存是 Linux IPC 家族中最接近裸金属性能的通信方式，其优势在于：

✅ 零拷贝，极致性能
✅ 支持大数据量传输
✅ 可与锁/信号量组合形成完整通信机制

当然，它也有一定的门槛，需要手动管理同步与生命周期。但正因为如此，掌握共享内存的开发能力，往往代表着一个开发者已经具备了构建高性能系统架构的基础。

九、参考资料

• man 7 shm_overview
• 《UNIX 环境高级编程》第 15 章
• Linux 内核文档：Documentation/filesystems/tmpfs.txt