共享内存 | Ciallo～(∠・ω< )⌒☆ ccのblog

在 C++ 中，共享内存（Shared Memory）是一种进程间通信（IPC）机制，允许多个进程访问同一块内存区域，从而实现高效的数据共享。以下是共享内存的用法、使用场景及相关注意事项，格式为 Markdown：

共享内存的用法

C++ 中使用共享内存通常依赖操作系统提供的 API（如 POSIX 的 shm_open 和 mmap，或 Windows 的 CreateFileMapping 和 MapViewOfFile）。C++11 及以上版本没有直接提供标准库支持，但可以通过系统调用或第三方库（如 Boost.Interprocess）实现。以下以 POSIX 系统为例说明用法：

1. 创建/打开共享内存

使用 shm_open 创建或打开一个共享内存对象，并通过 mmap 将其映射到进程地址空间。

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <cstring>

int main() {
    // 打开或创建共享内存对象
    const char* shm_name = "/my_shared_memory";
    int shm_fd = shm_open(shm_name, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        std::cerr << "shm_open failed\n";
        return 1;
    }

    // 设置共享内存大小
    size_t size = 4096; // 4KB
    if (ftruncate(shm_fd, size) == -1) {
        std::cerr << "ftruncate failed\n";
        return 1;
    }

    // 映射共享内存到进程地址空间
    void* ptr = mmap(0, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        std::cerr << "mmap failed\n";
        return 1;
    }

    // 写入数据
    strcpy(static_cast<char*>(ptr), "Hello, Shared Memory!");

    // 清理
    munmap(ptr, size); // 解除映射
    close(shm_fd);     // 关闭文件描述符
    shm_unlink(shm_name); // 删除共享内存对象
    return 0;
}

2. 读取共享内存

另一个进程可以通过相同的共享内存名称（shm_name）打开并映射内存，读取或修改数据。

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <iostream>

int main() {
    const char* shm_name = "/my_shared_memory";
    int shm_fd = shm_open(shm_name, O_RDONLY, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        std::cerr << "shm_open failed\n";
        return 1;
    }

    size_t size = 4096;
    void* ptr = mmap(0, size, PROT_READ, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        std::cerr << "mmap failed\n";
        return 1;
    }

    // 读取数据
    std::cout << "Shared Memory Content: " << static_cast<char*>(ptr) << '\n';

    // 清理
    munmap(ptr, size);
    close(shm_fd);
    return 0;
}

3. 同步机制

共享内存本身不提供同步机制，多进程并发访问可能导致数据竞争。需要使用信号量（sem_t）、互斥锁或原子操作确保线程安全。例如，使用 POSIX 信号量：

#include <semaphore.h>

// 初始化信号量
sem_t* sem = sem_open("/my_semaphore", O_CREAT, 0666, 1);
// 等待信号量
sem_wait(sem);
// 访问共享内存...
// 释放信号量
sem_post(sem);
// 清理
sem_close(sem);
sem_unlink("/my_semaphore");

4. 使用 Boost.Interprocess（跨平台）

Boost 提供高级接口，简化共享内存管理：

#include <boost/interprocess/shared_memory_object.hpp>
#include <boost/interprocess/mapped_region.hpp>
#include <iostream>

using namespace boost::interprocess;

int main() {
    // 创建共享内存
    shared_memory_object shm(create_only, "MySharedMemory", read_write);
    shm.truncate(4096); // 设置大小

    // 映射
    mapped_region region(shm, read_write);
    
    // 写入数据
    std::string message = "Hello, Boost Shared Memory!";
    std::memcpy(region.get_address(), message.c_str(), message.size());

    // 清理（自动解除映射）
    shared_memory_object::remove("MySharedMemory");
    return 0;
}

使用场景

高性能数据共享：
- 多个进程需要快速交换大量数据（如图像、日志、配置）。
- 例：实时视频处理，共享帧缓冲区。
进程间通信：
- 服务器与客户端共享状态或缓存（如数据库连接池）。
- 例：Web 服务器与工作进程共享会话数据。
并行计算：
- 多进程并行处理大数据集，共享输入/输出缓冲区。
- 例：科学计算中，多个进程处理同一矩阵。
低延迟通信：
- 相比管道或消息队列，共享内存避免数据拷贝，适合低延迟场景。
- 例：高频交易系统中的订单簿共享。
跨语言/跨进程交互：
- 不同语言编写的进程（如 C++ 和 Python）通过共享内存交换数据。
- 例：机器学习模型推理，C++ 预处理数据后供 Python 使用。

注意事项

同步问题：
- 必须使用同步机制（如信号量、互斥锁）避免数据竞争。
- 推荐 Boost.Interprocess 提供的同步工具。
内存管理：
- 确保所有进程正确解除映射（munmap）并删除共享内存（shm_unlink）。
- 避免内存泄漏或悬空指针。
跨平台兼容性：
- POSIX API（如 shm_open）适用于 Linux/Unix，Windows 使用 CreateFileMapping。
- 使用 Boost.Interprocess 可提高代码可移植性。
安全性：
- 设置适当权限（如 0666）以控制访问。
- 避免未初始化的共享内存导致未定义行为。
性能开销：
- 共享内存创建和映射有初始开销，适合长期使用。
- 频繁创建/销毁共享内存可能不如其他 IPC 机制（如管道）高效。

数学表示

内存访问时间：共享内存的访问时间接近本地内存，为 ( O(1) )，无数据拷贝开销。
同步开销：信号量或锁的加锁/解锁时间通常为 ( O(1) )，但竞争激烈时可能退化为 ( O(n) )，其中 ( n ) 为竞争进程数。
空间复杂度：共享内存大小为 ( S )，由 ftruncate 或 truncate 设定，额外同步机制（如信号量）占用 ( O(1) ) 空间。