操作系统中的进程间通信：共享内存（Shared Memory） 共享内存是最高效的进程间通信（IPC）方式之一，因为它允许两个或多个进程直接访问同一块物理内存区域，避免了数据在内核空间和用户空间之间的多次拷贝。 1. 核心概念 定义 ：多个进程将同一段物理内存映射到各自的地址空间，从而实现对这块内存的直接读写。 特点 ： 高速 ：通信无需系统调用或数据拷贝。 无结构 ：内存区域只是一段原始字节数组，需进程自行协商数据格式（如结构体、队列）。 同步问题 ：多个进程同时读写可能造成数据竞争，必须结合同步机制（如信号量、互斥锁）。 2. 实现步骤详解（以POSIX标准为例） 步骤1：创建/打开共享内存区域 使用 shm_open() 函数创建一个具名的共享内存对象，返回文件描述符。 示例： fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_RDWR, 0666); 作用：在虚拟文件系统（如 /dev/shm ）中创建共享对象，供其他进程通过名称访问。 步骤2：设置共享内存大小 使用 ftruncate() 函数调整共享内存对象的大小。 示例： ftruncate(fd, SIZE); 原理：共享内存初始大小为0，必须显式扩展为实际需要的大小。 步骤3：内存映射 使用 mmap() 函数将共享内存映射到进程的地址空间。 示例： ptr = mmap(NULL, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 参数解释： MAP_SHARED ：确保映射的修改对其他进程可见。 PROT_READ/PROT_WRITE ：设置读写权限。 结果：进程可通过指针 ptr 直接访问共享内存。 步骤4：读写操作 进程使用指针进行内存读写，如 memcpy(ptr, data, size) 。 注意：写入后其他进程立即可见，但竞态条件需额外同步。 步骤5：同步机制（关键补充） 示例：使用信号量控制访问顺序。 生产者进程写入数据后执行 sem_post() 通知消费者。 消费者进程通过 sem_wait() 等待数据就绪。 步骤6：清理资源 使用 munmap() 解除映射。 使用 shm_unlink() 删除共享对象，释放物理资源。 3. 底层原理 页表映射 ：不同进程的页表项指向同一物理页帧，修改时直接写入物理内存。 写时复制（COW）规避 ：映射时指定 MAP_SHARED 标志，确保写入不被复制到独立页面。 4. 优缺点分析 优点 ： 性能极高：省去内核缓冲区和多次拷贝开销。 适合大规模数据交换（如图像处理、科学计算）。 缺点 ： 需手动同步，编程复杂度高。 安全性低：恶意进程可能破坏共享数据。 5. 应用场景 数据库缓冲池管理（如Oracle SGA）。 高频实时数据处理系统。 图形渲染中多进程协同处理帧缓存。 通过结合同步工具（如信号量），共享内存既能实现高速通信，又能保证数据一致性，是性能敏感场景的首选IPC方案。