Linux 進程間通信之共享內存完整指南：shmget/shmat/shmdt/shmctl、信號量同步、父子進程實戰

Linux 進程間通信之共享內存完整指南

共享內存是 最快的 IPC 方式：多進程映射同一物理頁面，用戶態直接讀寫，無內核拷貝開銷。但無內建同步，必須配合信號量/互斥鎖。本文系統講解 API、同步模式、完整雙進程示例、父子進程繼承映射、安全性陷阱。

核心 API 速查表

權限位說明 (與 open mode 一致)

0644 = 用戶讀寫(6) | 組讀(4) | 其他讀(4)
0666 = 所有讀寫
IPC_CREAT: 不存在則創建
IPC_EXCL: 與 CREAT 同用，存在則報錯 (確保獨佔創建)

同步機制：必須配合信號量

共享內存本身無原子性、無互斥。典型模式：

// 初始化
semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);
semctl(semid, 0, SETVAL, 1);  // 信號量初值 1 (互斥鎖)

// P 操作 (加鎖)
struct sembuf p = {0, -1, SEM_UNDO};
semop(semid, &p, 1);

// 訪問共享內存...

// V 操作 (解鎖)
struct sembuf v = {0, +1, SEM_UNDO};
semop(semid, &v, 1);

SEM_UNDO 確保進程異常終止時內核自動釋放鎖，防死鎖。

完整雙進程示例：生產者/消費者

共享結構體 (shmdata.h)：

#define TEXT_SZ 2048
struct shared_use_st {
    int written;   // 0=可寫, 1=可讀
    char text[TEXT_SZ];
};

消費者 (shmread.c)：

// 創建/獲取共享內存 + 信號量
// 循環：P(sem) → 檢查 written → 讀取 → written=0 → V(sem)
// 輸入 "end" 退出，清理 shmctl(IPC_RMID) + semctl(IPC_RMID)

生產者 (shmwrite.c)：

// 同鍵獲取共享內存 + 信號量
// 循環：P(sem) → 檢查 written==0 → fgets → 複製 → written=1 → V(sem)
// 輸入 "end" 退出

父子進程共享內存 (fork 後繼承映射)

int main() {
    int shmid = shmget(0x33, sizeof(int), IPC_CREAT | 0600);
    int *ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
    *ptr = 0;

    int semid = semget(0x44, 1, IPC_CREAT | 0600);
    semctl(semid, 0, SETVAL, 1);

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {           // 子進程：+1
        for (int i=0;i<100;++i) { P(semid); (*ptr)++; V(semid); }
    } else {                  // 父進程：-1
        for (int i=0;i<100;++i) { P(semid); (*ptr)--; V(semid); }
        waitpid(pid, NULL, 0);
        printf("Final: %d\n", *ptr);  // 應為 0
    }
    shmdt(ptr);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    semctl(semid, IPC_RMID, 0);
}

關鍵點：fork 後子進程自動繼承父進程的共享內存映射與信號量描述符，無需重新 shmat/semget。

安全性陷阱與避坑

優缺點總結

Linux IPC 方式對比

小結

共享內存 = shmget → shmat → 信號量保護讀寫 → shmdt → shmctl(IPC_RMID)。
掌握 ftok 生成穩定 key、SEM_UNDO 防死鎖、fork 繼承映射、IPC_RMID 及時清理 五大工程鐵律，即可構建高性能、健壯的共享內存 IPC 系統。