UNIX共享内存总结

发布于:2021-11-27 15:17:34

????共享内存可以说是最有用的进程间通信方式,也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是,同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新,反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域,必然需要某种同步机制,互斥锁和信号量都可以。采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝。因此,采用共享内存的通信方式效率是非常高的。


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【应用场景】


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1. 进程间通讯-生产者消费者模式


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????生产者进程和消费者进程通讯常使用共享内存,比如一个网络服务器,接入进程收到数据包后,直接写到共享内存中,并唤醒处理进程,处理进程从共享内存中读数据包,进行处理。当然,这里要解决互斥的问题。


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2. 父子进程间通讯


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????由于fork产生的子进程和父进程不共享内存区,所以父子进程间的通讯也可以使用共享内存,以POSIX共享内存为例,父进程启动后使用MAP_SHARED建立内存映射,并返回指针ptr。fork结束后,子进程也会有指针ptr的拷贝,并指向同一个文件映射。这样父、子进程便共享了ptr指向的内存区。


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3. 进程间共享-只读模式


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????业务经常碰到一种场景,进程需要加载一份配置文件,可能这个文件有100K大,那如果这台机器上多个进程都要加载这份配置文件时,比如有200个进程,那内存开销合计为20M,但如果文件更多或者进程数更多时,这种对内存的消耗就是一种严重的浪费。比较好的解决办法是,由一个进程负责把配置文件加载到共享内存中,然后所有需要这份配置的进程只要使用这个共享内存即可。


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【共享内存分类】


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1. POSIX共享内存对象


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const char shmfile[] = "/tmp";

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shm_open创建一个名称为tmp,大小为100字节的共享内存区对象后,在/dev/shm/下可以看到对应的文件,cat可以看到内容。


root:/home/#ls -al /dev/shm/tmp

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访问速度:非常快,因为 /dev/shm 是tmpfs的文件系统,?可以看成是直接对内存操作的,速度当然是非常快的。


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持续性:随内核,即进程*艄蚕砟诖嬷惺莶换岫В诤俗跃倩蛳允镜饔胹hm_unlink或rm掉文件删除后丢失。


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2.? POSIX内存映射文件




const char shmfile[] = "./tmp.shm";

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open在指定目录下创建指定名称后文件,cat可以看到内容。



root:/home/#ls -al?./tmp.shm


-rw-------? 1 root??? root??? 100 10-15 13:42 tmp.shm


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访问速度:慢于内存区对象,因为内核为同步或异步更新到文件系统中,而内存区对象是直接操作内存的。



持续性:随文件,即进程*艋蚰诤俗跃俨缓蠖В允緍m掉文件后丢失。


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3. SYSTEM V共享内存


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共享内存创建后,执行ipcs命令,会打印出相应的信息,比如下面所示,key为申请时分配的,可以执行ipcrm -M 0x12345678 删除,nattch字段为1表示有一个进程挂载了该内存。


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------ Shared Memory Segments --------

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访问速度:非常快,可以理解为全内存操作。


持续性: 随内核,即进程*艄蚕砟诖嬷惺莶换岫В诤俗跃倩蛳允镜饔胹hmdt或使用ipcrm删除后丢失。


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与POSIX V共享内存区对象不同的是,SYSTEM V的共享内存区对象的大小是在调用shmget创建时固定下来的,而POSIX共享内存区大小可以在任何时刻通过ftruncate修改。


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【代码示例】


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下面给出三种共享内存使用方法的示例代码,都采用父子进程间通讯,并未考虑互斥,仅做示例供大家参考。


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1.POSIX共享内存对象


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编译执行


root:/home/ftpuser/ipc#g++ -o shm_posix -lrt shm_posix.cc?????

There is 3 item in the shm

Parent 2279 get child status:0


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2.POSIX文件映射


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编译执行


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root:/home/ftpuser/ipc#g++ -o map_posix map_posix.cc

There is 3 item in the shm

Parent 2299 get child status:0


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3.SYSTEM V 共享内存对象


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编译执行


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root:/home/ftpuser/ipc#g++ -o shm_v shm_v.cc?

There is 3 item in the shm

Parent 2322 get child status:0


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【性能测试】



下面对三种方式进行性能测试,比较下差异。



测试机信息:


AMD Athlon(tm) Neo X2 Dual Core Processor 6850e


cpu:1.7G


os: Linux 2.6.18



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测试方式:


打开大小为SIZE的共享内存,映射到一个int型的数组中,循环写数组、读数组。


重复10W次,计算时间开销。


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内存大小

Shmopen+mmap(ms)

Open+mmap

Shmget

4k

1504

1470

1507

16k

6616

6201

5994

64k

25905

24391

24315

256k

87487

76981

69417

1M

253209

263431

241886



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重复1K次,计算时间开销。


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内存大小

Shmopen+mmap(ms)

Open+mmap(ms)

Shmget(ms)

1M

5458

5447

5404

4M

21492

21447

21307

16M

90880

93685

87594

32M

178000

214900

193000



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分析:


Sytem V方式读写速度快于POSIX方式,而POSIX 共享内存和文件映射方式相差不大, 共享内存性能略优。


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附上测试源码:


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