Linux C 程式設計：共享記憶體進程間通訊實作範例

共享記憶體 IPC 機制概述

共享記憶體是 Linux 系統中最底層、最高效的進程間通訊（IPC）機制。它允許兩個或多個進程映射同一塊物理記憶體區域，直接讀寫資料，無需核心複製，效能極佳。但缺乏內建同步機制，必須搭配信號量、互斥鎖等同步原語，避免競態條件導致資料混亂。

運作原理

1. 一個進程呼叫 shmget() 建立或取得共享記憶體段
2. 各進程呼叫 shmat() 將該段附加到自身虛擬位址空間
3. 進程間直接透過指標讀寫共享區域
4. 使用完畢呼叫 shmdt() 分離，最後由建立者呼叫 shmctl(IPC_RMID) 刪除

完整範例：雙進程資料傳遞

以下範例示範兩個獨立程式 b.c（寫入端）與 a.c（讀取端）透過共享記憶體交換字串。注意：為簡化示範，本範例未加入同步機制，實際執行時輸出會出現交錯混亂，請務必在正式專案中加入信號量同步。

寫入端程式：b.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define MYKEY 25

int main() {
    int shmid;
    char *shmptr;

    // 建立/取得共享記憶體
    if ((shmid = shmget(MYKEY, BUF_SIZE, IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("shmget error");
        exit(1);
    }

    // 附加到進程位址空間
    if ((shmptr = shmat(shmid, 0, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat error");
        exit(1);
    }

    while (1) {
        printf("input: ");
        if (scanf("%1023s", shmptr) != 1) break;  // 防緩衝區溢位
    }

    shmdt(shmptr);
    return 0;
}

讀取端程式：a.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define MYKEY 25

int main() {
    int shmid;
    char *shmptr;

    if ((shmid = shmget(MYKEY, BUF_SIZE, IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("shmget error");
        exit(1);
    }

    if ((shmptr = shmat(shmid, 0, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat error");
        exit(1);
    }

    while (1) {
        printf("string: %s\n", shmptr);
        sleep(3);
    }

    shmdt(shmptr);
    return 0;
}

編譯與執行步驟

# 編譯兩支程式
$ gcc -o writer b.c
$ gcc -o reader a.c

# 開啟兩個終端機視窗
# 終端機 1 執行寫入端
$ ./writer

# 終端機 2 執行讀取端
$ ./reader

執行結果說明

因無同步機制，reader 可能讀到 writer 正在寫入時的部分資料，導致輸出亂碼或重複。這正是共享記憶體「高效但不安全」的特性體現。

關鍵函數速查表

最佳實務建議

• 必須搭配同步：使用 POSIX 信號量（sem_t）或 System V 信號量（semget/semop）保護關鍵區
• 定義清晰協議：共享區建議包含「資料長度 + 資料內容」或環狀緩衝區結構
• 錯誤處理：所有系統呼叫皆需檢查回傳值，善用 perror() 診斷
• 資源清理：程式異常結束時應註冊 atexit() 或信號處理器確保 shmctl(IPC_RMID) 被呼叫
• 權限設定：shmget 權限位建議 0600（僅擁有者讀寫）或 0660（群組共享）

延伸閱讀

• sigsuspend 進程阻塞與信號同步
• sigprocmask 信號屏蔽實作
• 消息隊列 IPC 替代方案