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【操作系统/进程间通信】共享内存
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参考文章： Linux——详解共享内存shared memory_就要 宅在家的博客-CSDN博客 什么是共享内存？在内存中的具体位置？共享内存相关API，mmap 的具体使用原理、以及C++应用案例？_共享内存在内存哪个区_JMW1407的博客-CSDN博客 目录 一、定义 1.1 定义 1.2 共享内存是在用户空间还是内核空间？——用户空间。 1.3 生命周期特 1.4 优点和缺点 二、映射方式：mmap机制 2.1原理（见上） 2.2 调用过程（三个阶段）： （一）进程启动映射过程，并在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域 （二）调用内核空间的系统调用函数mmap()（不同于库函数mmap()），实现文件物理地址和进程虚拟地址的一一映射关系 （三）真正数据写入发生在如果要读写阶段：进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到物理内存（主存）的拷贝 3.1.2、优点总结 三、映射方式：shmget（待补充） 一、定义 1.1 定义共享内存是一种进程间通信的机制，即不同进程的虚拟内存空间（虚拟内存地址不需要相同），映射到相同的物理内存中。如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将【立即影响到】【可以同时访问】（加了锁的就不算“同时可以访问"）同一段共享内存的任何其他进程。 在Linux中，每个进程都有属于自己的进程控制块（PCB）和地址空间（Addr Space），并且都有一个与之对应的页表，负责将进程的虚拟地址与物理地址进行映射，通过内存管理单元（MMU）进行管理。两个不同的虚拟地址通过页表映射到物理空间的同一区域，它们所指向的这块区域即共享内存。 1.2 共享内存是在用户空间还是内核空间？——用户空间。回顾：我们知道，在使用消息队列或管道通信时，消息队列和管道都在内核空间中。所以客户端或服务器端在调用read/write时，会发生： 调用read():OS把数据从用户态空间拷贝到内核空间。调用write(): OS把数据从内核空间拷贝到用户态空间。即数据拷贝、用户态和内核态的转换。有开销。
与之相对，共享内存机制则是通过一个映射函数（如Linux提供了内存映射函数mmap） 把要共享的文件内容映射到进程的虚拟内存上， 通过对这段内存的读取和修改实现对文件的读取和修改。共享内存分配在用户空间中。所以进程可以以访问内存的方式对文件进行访问，不需要其他系统调用(read,write)去操作。
由上图可以看出，进程的虚拟地址空间，由多个虚拟内存区域构成。上图中所示的text数据段（代码段）、初始数据段、BSS数据段、堆、栈和内存映射，都是一个独立的虚拟内存区域。而为内存映射服务的地址空间处在堆栈之间的空余部分（共享区）。 好了，知道了内存分区，那么OS怎么管理这些存分区呢？
linux内核使用vm_area_struct结构来表示一个独立的虚拟内存区域，由于每个不同质的虚拟内存区域功能和内部机制都不同，因此一个进程使用多个vm_area_struct结构来分别表示不同类型的虚拟内存区域。各个vm_area_struct结构使用链表或者树形结构链接，方便进程快速访问。 分配一个新的共享内存，即通过mmap函数创建一个新的vm_area_struct结构，并将其与文件的物理磁盘地址相连。这也是mmap函数的作用。 1.3 生命周期特 1.4 优点和缺点优点： 不需要数据拷贝带来的开销。大大提高了通信速度。缺点： 多个进程竞争共同的资源（如同时读且删除、同时写）会造成数据的错乱。改进：用信号量互斥访问，保护共享资源。确保任意时刻只能有一个进程访问共享资源。用于进程间通信时，共享内存本身不支持阻塞等待操作。这是因为当读端读取数据后，数据并不会在内存中清空。因此读端和写端可以同时访问内存空间，即全双工。因为共享内存本质是进程直接访问内存，无法主动停止读取，如果读端不加以限制，那么将持续读取数据。同理，写端也会持续写入数据。换句话说，共享内存本身没有访问控制。 二、映射方式：mmap机制 2.1原理（见上） 2.2 调用过程（三个阶段）：mmap内存映射的实现过程，总的来说可以分为三个阶段： （一）进程启动映射过程，并在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域 进程在用户空间调用库函数mmap() 原型：void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
在当前进程的虚拟地址空间中，寻找一段空闲的满足要求的连续的虚拟地址为此虚拟区分配一个vm_area_struct结构，接着对这个结构的各个域进行了初始化将新建的虚拟区结构（vm_area_struct）插入进程的虚拟地址区域链表或树中
（二）调用内核空间的系统调用函数mmap()（不同于库函数mmap()），实现文件物理地址和进程虚拟地址的一一映射关系
为映射分配了新的虚拟地址区域后，通过待映射的文件指针，在文件描述符表中找到对应的文件描述符，通过文件描述符，链接到内核“已打开文件集”中该文件的文件结构体（struct file），每个文件结构体维护着和这个已打开文件相关各项信息。通过该文件的文件结构体，链接到file_operations模块，调用内核函数mmap，其原型为：int mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)，不同于用户空间库函数。内核mmap函数通过虚拟文件系统inode模块定位到文件磁盘物理地址。通过remap_pfn_range函数建立页表，即实现了文件地址和虚拟地址区域的映射关系。此时，这片虚拟地址并没有任何数据关联到主存中。
（三）真正数据写入发生在如果要读写阶段：进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到物理内存（主存）的拷贝
注：前两个阶段仅在于创建虚拟区间并完成地址映射，但是并没有将任何文件数据的拷贝至主存。真正的文件读取是当进程发起读或写操作时。 进程的读或写操作访问虚拟地址空间这一段映射地址，通过查询页表，发现这一段地址并不在物理页面上。因为目前只建立了地址映射，真正的硬盘数据还没有拷贝到内存中，因此引发缺页异常。缺页异常进行一系列判断，确定无非法操作后，内核发起请求调页过程。调页过程先在交换缓存空间（swap cache）中寻找需要访问的内存页，如果没有则调用nopage函数把所缺的页从磁盘装入到主存中。之后进程即可对这片主存进行读或者写的操作，如果写操作改变了其内容，一定时间后系统会自动回写脏页面到对应磁盘地址，也即完成了写入到文件的过程。 3.1.2、优点总结1、对文件的读取操作跨过了页缓存，减少了数据的拷贝次数，用内存读写取代I/O读写，提高了文件读取效率。 2、实现了用户空间和内核空间的高效交互方式。两空间的各自修改操作可以直接反映在映射的区域内，从而被对方空间及时捕捉。 3、提供进程间共享内存及相互通信的方式。不管是父子进程还是无亲缘关系的进程，都可以将自身用户空间映射到同一个文件或匿名映射到同一片区域。从而通过各自对映射区域的改动，达到进程间通信和进程间共享的目的。 如果进程A和进程B都映射了区域C，当A第一次读取C时通过缺页从磁盘复制文件页到内存中；但当B再读C的相同页面时，虽然也会产生缺页异常，但是不再需要从磁盘中复制文件过来，而可直接使用已经保存在内存中的文件数据。 4、可用于实现高效的大规模数据传输。内存空间不足，是制约大数据操作的一个方面，解决方案往往是借助硬盘空间协助操作，补充内存的不足。但是进一步会造成大量的文件I/O操作，极大影响效率。这个问题可以通过mmap映射很好的解决。换句话说，但凡是需要用磁盘空间代替内存的时候，mmap都可以发挥其功效。 三、映射方式：shmget（待补充）具体可以参考： Linux——详解共享内存shared memory_就要 宅在家的博客-CSDN博客 什么是共享内存？在内存中的具体位置？shmget的具体使用原理以及其他关联函数（shmat ( )，shmdt ( )，shmctl ( )）、以及C++应用案例？mmap和shm的区别？_shmget 原理_JMW1407的博客-CSDN博客 |
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