[IPC] 共享内存——分析和使用

共享内存

共享内存简介

共享内存是所有进程间通信（IPC）手段中速度最快的，不同进程间使用事实上的同一内存区域，这样使得进程间使用信息时免去“复制”这一流程，减少开销。

以下面“进程A从文件f中读取数据，进行加工之后，将数据传递给进程B”这种场景为例，若使用其他的IPC形式，我们至少需要以下步骤：

1. 从文件f中复制数据到进程A的内存中；
2. 加工数据；
3. 将加工好的数据通过系统调用拷贝到内核空间中；
4. 进程B得知有数据发来，从内核空间将加工好的数据拷贝到进程B的内存中；
5. 进程B使用数据

而我们若使用共享内存，则至少需要以下三个步骤：

1. 从文件f中复制数据到共享内存区域中；
2. 加工数据；
3. 进程B使用数据

显然的，在使用共享内存时，我们减少了一些无意义的数据复制。

不过，在这之中还有一些隐藏在其中影响效率的其他细节——系统调用的数量。在我们使用其他的IPC形式时，读取、写入时将不可避免的使用系统调用，当进行大量的数据吞吐时，频繁的系统调用就会严重地拖累性能。而当我们使用共享内存区域时，可能仅仅需要一个读取内存的开销，或是附加一个同步原语的开销。

除此之外，使用共享内存区域也有一些意外的好处，当进程因为意外退出再重启时，若对共享内存区域使用得当，那么在共享内存区域存放的数据，可以以很小的代价继续使用。

当然，作为代价，共享内存并不具备一些便利性的API，使用共享内存作为IPC形式需要手动的规定共享内存区的“使用协议”，对于有竞争的区域，应当使用信号量等同步原语予以保护。

如何使用

我们以两进程间不存在亲缘关系这种最为“一般”的情况为例，在此时我们可以使用以下两种方式共享内存：

• 内存映射文件
• 共享内存区对象

若两进程之间存在亲缘关系，那么在使用“内存映射文件”这种形式共享内存时，则还可以使用“匿名映射”这一方法，该方法将在下文中陈述。

内存映射文件

mmap函数

内存映射文件用到的函数是mmap，是的，它是个“身兼多任”的函数，函数原型为：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fildes, off_t off);

mmap函数将fildes参数所指定的文件描述符中从偏移为off开始持续len长度的区域以prot方式保护，映射到当前进程的addr地址处。若执行成功，那么将返回被映射区的起始地址，反之则返回MAP_FAILED。

若我们将addr参数指定为NULL，则表示我们希望由内核选择一个合适的映射地址，于是通常地我们都将之设定为NULL。除此之外，我们将mmap函数作为内存映射文件用于共享内存时，off参数也通常设为0，这也是很容易理解的，毕竟off设为其他值除了增大文件之外，在这种情景下毫无意义。

prot参数可以指定为PROT_READ（数据可写）、PROT_WRITE（数据可读）、PROT_EXEC（数据可执行）、PROT_NONE（数据不可访问）。一般而言，我们会将其指定为PROT_READ | PROT_WRITE，表示其可读可写。

flags参数可以指定为MAP_SHARED（对于区域的变动是共享的）、MAP_PRIVATE（对于区域的变动是独自的）和MAP_FIXED（要求准确的解释addr参数）。对于我们作为共享内存这一用法来说，显然我们应当指定MAP_SHARED作为参数。

MAP_FIXED参数的意义可能会使人感到迷惑，何谓准确的解释addr参数？当我们未指定addr参数时，内核可能因为内存对齐等其他原因，更改最终映射的地址，也就是说此时addr参数仅仅是一个参考值，若要保证最终映射的地址一定为addr参数所指定的地址，则需要设定此参数。不过对于一个良好的、可移植的代码，addr通常将设定为NULL，也就没有使用MAP_FIXED的必要。

对于共享内存的使用目的，len参数就是共享内存区的大小。

当使用完毕之后，我们可以使用munmap函数解除相应的内存映射，该函数的原型为：

int munmap(void *addr, size_t len);

addr参数为对应的mmap函数的返回值，len与mmap中len的意义相同。

建立内存映射文件

在熟悉了mmap函数的使用之后，简单的谈一谈如何建立内存映射文件，首先，需要使用共享内存的进程使用open函数打开指定的文件，然后进程使用mmap将之映射到自己的地址空间中，在mmap映射建立完成之后，我们就可以使用close关闭掉文件了，这对于已经建立映射没有影响。

下面是一段代码，使用了内存映射文件，由A进程产生一个随机数并共享给B进程，由B进程打印出来。

// 文件：a.c
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void err(const char *str) {
   
   
  perror(str);
  exit(EXIT_FAILURE);
}

int main(int argc, const char *argv[]) {
   
   
  // (1) 使用open打开指定的内存映射文件
  int fd = open("/tmp/example.shm", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
  if (fd == -1) {
   
   
    err("open");
  }

  // (2) 文件可能之前不存在，没有页面，此时直接使用将引发一个bus error
  //     先将其截断为指定大小，然后才可以进行相关读取
  if (ftruncate(fd, sizeof(int)) == -1) {
   
   
    err("ftruncate");
  }

  // (3) 调用mmap将内存映射文件映射到自身的地址空间中
  int *p = mmap(NULL, sizeof(int), PROT_WRITE | PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
  if (p == MAP_FAILED) {
   
   
    err("mmap");
  }

  // (4) 完成映射之后可以关闭fd，不影响已经建立的映射
  close(fd);

  // (5) 产生随机数并存入共享内存中，使用sleep为了便于观察
  for (srand(7777);; sleep(1)) {
   
   
    int v = rand();
    *p = v;
    printf("produce: %d\n", v);
  }