共享内存的工作方式

顾名思义，共享内存让一段内存可供多个进程访问。用特殊的系统调用（即对 UNIX 内核的请求）分配和释放内存并设置权限；通过一般的读写操作读写内存段中的数据。

共享内存并不是从某一进程拥有的内存中划分出来的；进程的内存总是私有的。共享内存是从系统的空闲内存池中分配的，希望访问它的每个进程连接它。这个连接过程称为映射，它给共享内存段分配每个进程的地址空间中的本地地址。

 

  1. 假设在同一系统上有两个进程 A 和 B 正在运行（见 图 1），它们可以通过共享内存进行协作和共享信息。在图中 A 和 B 采用不同大小的图形，以此强调应用程序不必相同。 

    图 1. 两个进程在同一个主机上运行，执行不同的代码 
  2. 在 图 2 中，进程 A 请求一个共享内存段。进程 A 对这个内存段进行初始化，让它准备好接受访问。这个过程还给内存段命名，让其他进程可以找到它。通常，内存段名称并不是动态分配的；而是众所周知的，比如使用头文件中的常量，其他代码可以方便地引用它。 

    图 2. 一个进程请求共享内存段 
  3. 进程 A 把共享内存段连接（即映射）到自己的地址空间。进程 B 通过它的命名管道找到这个内存段，也把它映射到自己的地址空间，见 图 3。两个进程扩大了，表示包含共享内存段。 

    图 3. 两个进程连接（即映射）共享内存段 
  4. 最后，在 图 4 中，进程 A 和 B 可以随意读写共享内存段。按照与本地进程内存相同的方式对待共享内存。read() 和 write() 的作用与一般情况下一样。 

    图 4. 两个或更多进程现在可以通过共同的内存共享数据 

这些图中所示的许多工作可以通过 UNIX 共享内存 API 执行。实际上，有两套共享内存 API：POSIX API 和比较老（但是仍然有效）的 System V API。因为 POSIX 是 UNIX 和 Linux® 及其衍生系统上的公认标准，所以我们使用此版本。另外，POSIX API 使用简单的文件描述符执行读写，大家应该更熟悉。

POSIX 为创建、映射、同步和取消共享内存段提供五个入口点：

  • shm_open()：创建共享内存段或连接到现有的已命名内存段。这个系统调用返回一个文件描述符。
  • shm_unlink()：根据（shm_open() 返回的）文件描述符，删除共享内存段。实际上，这个内存段直到访问它的所有进程都退出时才会删除，这与在 UNIX 中删除文件很相似。但是，调用 shm_unlink() （通常由原来创建共享内存段的进程调用）之后，其他进程就无法访问这个内存段了。
  • mmap()：把共享内存段映射到进程的内存。这个系统调用需要 shm_open() 返回的文件描述符，它返回指向内存的指针。（在某些情况下，还可以把一般文件或另一个设备的文件描述符映射到内存。对这些操作的讨论超出了本文的范围；具体方法请查阅操作系统的 mmap() 文档。）
  • munmap()：作用与 mmap() 相反。
  • msync()：用来让共享内存段与文件系统同步 — 当把文件映射到内存时，这种技术有用。

使用共享内存的过程是，用 shm_open() 创建内存段，用 write() 或 ftruncate() 设置它的大小，用 mmap() 把它映射到进程内存，执行其他参与者需要的操作。当使用完时，原来的进程调用 munmap() 和 shm_unlink()，然后退出。