Linux系列：聊一聊 SystemV 下的进程间共享内存

一：背景

1. 讲故事

昨天在分析一个 linux 的 dump 时，看到了这么一话警告，参考如下：

1. 0:000> !eeheap -gc
2. *** WARNING: Unable to verify timestamp for SYSV10cf21d1 (deleted)

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对，就是上面的 SYSV10cf21d1，拆分一下为 System V + 10cf21d1 ，前者的System V表示共享内存机制，反面的 10cf21d1 表示共享内存中用到的唯一键key，所以这表示当前的 .net 程序直接或者间接的使用了 System V的进程间共享内存，我对 Linux 不是特别熟悉，所以稍微研究了下就有了这篇文章。
二：System V 研究

1. 什么是进程间通讯

其实在 Linux 中有很多中方式进行 IPC（进程间通讯），我用大模子帮我做了一下汇总，截图如下：

现如今Linux使用最多的照旧 POSIX 标准，而 System V 相对来说比较老，为了研究我们写一个小例子观察下基本实现。
2. System V 的一个小例子

为了能够实现进程间通讯，开启两个进程（writer，reader）端，一个是往共享内存写入，一个从共享内存中读取，画个简图如下：

接下来在内存段的首位置设置控制flag，反面跟着传输的 content 内容，然后创建一个key与申请的内存段进行绑定，参考代码如下：
1）writer.c

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <sys/ipc.h>
5. #include <sys/shm.h>
6. #include <unistd.h>
8. #define SHM_SIZE 1024 // 共享内存段大小
10. int main()
11. {
12.     key_t key;
13.     int shmid;
14.     char *shm_ptr;
16.     // 生成key值 - 使用当前目录和项目ID
17.     if ((key = ftok(".", 'x')) == -1)
18.     {
19.         perror("ftok");
20.         exit(1);
21.     }
23.     // 创建共享内存段
24.     if ((shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666)) == -1)
25.     {
26.         perror("shmget");
27.         exit(1);
28.     }
30.     // 附加到共享内存
31.     if ((shm_ptr = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1)
32.     {
33.         perror("shmat");
34.         exit(1);
35.     }
37.     printf("Writer: 连接到共享内存段 %d\n", shmid);
39.     // 第一个字节作为标志位，其余部分存储数据
40.     char *flag_ptr = shm_ptr;
41.     char *data_ptr = shm_ptr + 1;
43.     // 初始化标志位
44.     *flag_ptr = 0;
46.     // 写入数据到共享内存
47.     char message[] = "Hello from writer process!";
48.     strncpy(data_ptr, message, sizeof(message));
50.     // 设置标志位表示数据已准备好
51.     *flag_ptr = 1;
53.     printf("Writer: 已写入消息: "%s"\n", message);
55.     // 等待读取进程完成
56.     printf("Writer: 等待读取进程确认...\n");
57.     while (*flag_ptr != 2)
58.     {
59.         sleep(1);
60.     }
62.     // 分离共享内存
63.     if (shmdt(shm_ptr) == -1)
64.     {
65.         perror("shmdt");
66.         exit(1);
67.     }
69.     // 删除共享内存段
70.     if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)
71.     {
72.         perror("shmctl");
73.         exit(1);
74.     }
76.     printf("Writer: 完成\n");
78.     return 0;
79. }

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接下来就是 gcc 编译并运行，参考如下：

1. root@ubuntu2404:/data2# gcc -g writer.c -o writer
2. root@ubuntu2404:/data2# ls   
3. writer  writer.c
4. root@ubuntu2404:/data2# ./writer
5. Writer: 连接到共享内存段 2
6. Writer: 已写入消息: "Hello from writer process!"
7. Writer: 等待读取进程确认...

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从输出看已经将 "Hello from writer process!" 写到了共享内存，接下来可以用 ipcs -m 观察共享内存段列表，以及虚拟地址段。

1. root@ubuntu2404:/proc# ipcs -m  
3. ------ Shared Memory Segments --------
4. key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
5. 0x78030002 3          root       666        1024       1         
7. root@ubuntu2404:/proc# ps -ef | grep writer
8. root        7711    7593  0 10:41 pts/1    00:00:00 ./writer
9. root        7714    7618  0 10:41 pts/2    00:00:00 grep --color=auto writer              
11. root@ubuntu2404:/proc# cat /proc/7711/maps
12. 5b412c9bc000-5b412c9bd000 r--p 00000000 08:03 1966088                    /data2/writer
13. 5b412c9bd000-5b412c9be000 r-xp 00001000 08:03 1966088                    /data2/writer
14. 5b412c9be000-5b412c9bf000 r--p 00002000 08:03 1966088                    /data2/writer
15. 5b412c9bf000-5b412c9c0000 r--p 00002000 08:03 1966088                    /data2/writer
16. 5b412c9c0000-5b412c9c1000 rw-p 00003000 08:03 1966088                    /data2/writer
17. 5b415ad13000-5b415ad34000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
18. ...
19. 7c755ce80000-7c755ce81000 rw-s 00000000 00:01 3                          /SYSV78030002 (deleted)
20. ...
21. ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]
22. root@ubuntu2404:/proc#

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上面输出的 /SYSV78030002 (deleted) 便是，哈哈，现在转头看这句 WARNING: Unable to verify timestamp for SYSV10cf21d1 (deleted) 是不是豁然开朗啦。。。
接下来继续聊，另一个进程要想读取共享内存，需要通过同名的key寻找，即下面的 shmget 方法。
2）reader.c

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
3. #include <string.h>
4. #include <sys/ipc.h>
5. #include <sys/shm.h>
6. #include <unistd.h>
8. #define SHM_SIZE 1024 // 共享内存段大小
10. int main()
11. {
12.     key_t key;
13.     int shmid;
14.     char *shm_ptr;
16.     // 生成相同的key值
17.     if ((key = ftok(".", 'x')) == -1)
18.     {
19.         perror("ftok");
20.         exit(1);
21.     }
23.     // 获取共享内存段
24.     if ((shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666)) == -1)
25.     {
26.         perror("shmget");
27.         exit(1);
28.     }
30.     // 附加到共享内存
31.     if ((shm_ptr = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1)
32.     {
33.         perror("shmat");
34.         exit(1);
35.     }
37.     printf("Reader: 连接到共享内存段 %d\n", shmid);
39.     // 第一个字节是标志位，其余是数据
40.     char *flag_ptr = shm_ptr;
41.     char *data_ptr = shm_ptr + 1;
43.     // 等待数据准备好
44.     printf("Reader: 等待数据...\n");
45.     while (*flag_ptr != 1)
46.     {
47.         sleep(1);
48.     }
50.     // 读取数据
51.     printf("Reader: 接收到消息: "%s"\n", data_ptr);
53.     // 通知写入进程已完成读取
54.     *flag_ptr = 2;
56.     // 分离共享内存
57.     if (shmdt(shm_ptr) == -1)
58.     {
59.         perror("shmdt");
60.         exit(1);
61.     }
63.     printf("Reader: 完成\n");
65.     return 0;
66. }

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如果有朋侪对绑定逻辑(shmget)的底层感兴趣，可以观察 Linux 中的 ipcget_public 方法，其中的 rhashtable_lookup_fast 便是。

1. static int ipcget_public(struct ipc_namespace *ns, struct ipc_ids *ids,
2.                 const struct ipc_ops *ops, struct ipc_params *params)
3. {
4.         struct kern_ipc_perm *ipcp;
5.         int flg = params->flg;
6.         int err;
8.         /*
9.          * Take the lock as a writer since we are potentially going to add
10.          * a new entry + read locks are not "upgradable"
11.          */
12.         down_write(&ids->rwsem);
13.         ipcp = ipc_findkey(ids, params->key);
14.     ...
15. }
17. static struct kern_ipc_perm *ipc_findkey(struct ipc_ids *ids, key_t key)
18. {
19.         struct kern_ipc_perm *ipcp;
21.         ipcp = rhashtable_lookup_fast(&ids->key_ht, &key,
22.                                               ipc_kht_params);
23.         if (!ipcp)
24.                 return NULL;
26.         rcu_read_lock();
27.         ipc_lock_object(ipcp);
28.         return ipcp;
29. }

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末了就是相同方式的编译运行，截一张图如下：

三：总结

哈哈，dump分析之旅就是这样，在分析中不断的学习新知识，再用新知识引导dump分析，就这样的不断的螺旋迭代，乐此不疲。

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