UNIX共享内存总结

    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。

 

【应用场景】

 

1. 进程间通讯-生产者消费者模式

 

    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。

 

2. 父子进程间通讯

 

    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。

 

3. 进程间共享-只读模式

 

    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。

 

【共享内存分类】

 

1. POSIX共享内存对象

 

const char shmfile[] = "/tmp";
const int size = 100;

 

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
-rw------- 1 root root 100 10-15 13:37 /dev/shm/tmp

 

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。

 

持续性：随内核，即进程重启共享内存中数据不会丢失，内核自举或显示调用shm_unlink或rm掉文件删除后丢失。

 

2.  POSIX内存映射文件

const char shmfile[] = "./tmp.shm";
const int size = 100;

 

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

 

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，即进程重启或内核自举不后丢失，除失显示rm掉文件后丢失。

 

3. SYSTEM V共享内存

 

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。

 

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status     
0x12345678 32769      root      644        10         1

 

访问速度：非常快，可以理解为全内存操作。

持续性： 随内核，即进程重启共享内存中数据不会丢失，内核自举或显示调用shmdt或使用ipcrm删除后丢失。

 

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。

 

 

【代码示例】

 

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。

 

1.POSIX共享内存对象

/* * Posix shared memory is easy to use in Linux 2.6, in this program, we * shared a memory between parent process and child process, stored several * objects of struct namelist in it. We store number of items in ptr[0]. */ #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR) const char shmfile[] = "/tmp"; const int size = 100; struct namelist { int id; char name[20]; }; int main(void) { int fd, pid, status; int *ptr; struct stat stat; // create a Posix shared memory int flags = O_RDWR | O_CREAT; fd = shm_open(shmfile, flags, FILE_MODE); if (fd < 0) { printf("shm_open failed, errormsg=%s errno=%d", strerror(errno), errno); return 0; } ftruncate(fd, size); ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); pid = fork(); if (pid == 0) { // child process printf("Child %d: start/n", getpid()); fd = shm_open(shmfile, flags, FILE_MODE); fstat(fd, &stat); ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); close(fd); struct namelist tmp; // store total num in ptr[0]; *ptr = 3; ptr++; namelist *cur = (namelist *)ptr; // store items tmp.id = 1; strcpy(tmp.name, "Nellson"); *cur++ = tmp; tmp.id = 2; strcpy(tmp.name, "Daisy"); *cur++ = tmp; tmp.id = 3; strcpy(tmp.name, "Robbie"); *cur++ = tmp; exit(0); } else{ // parent process sleep(1); struct namelist tmp; int total = *ptr; printf("/nThere is %d item in the shm/n", total); ptr++; namelist *cur = (namelist *)ptr; for (int i = 0; i< total; i++) { tmp = *cur; printf("%d: %s/n", tmp.id, tmp.name); cur++; } printf("/n"); waitpid(pid, &status, 0); } // remvoe a Posix shared memory from system printf("Parent %d get child status:%d/n", getpid(), status); return 0; }   

 

 

编译执行

root:/home/ftpuser/ipc#g++ -o shm_posix -lrt shm_posix.cc     
root:/home/ftpuser/ipc#./shm_posix
Child 2280: start

There is 3 item in the shm
1: Nellson
2: Daisy
3: Robbie

Parent 2279 get child status:0

 

2.POSIX文件映射

 

/* * Posix shared memory is easy to use in Linux 2.6, in this program, we * shared a memory between parent process and child process, stored several * objects of struct namelist in it. We store number of items in ptr[0]. */ #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR) const char shmfile[] = "./tmp.shm"; const int size = 100; struct namelist { int id; char name[20]; }; int main(void) { int fd, pid, status; int *ptr; struct stat stat; // create a Posix shared memory int flags = O_RDWR | O_CREAT; fd = open(shmfile, flags, FILE_MODE); ftruncate(fd, size); ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); pid = fork(); if (pid == 0) { // child process printf("Child %d: start/n", getpid()); fd = open(shmfile, flags, FILE_MODE); fstat(fd, &stat); ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); close(fd); struct namelist tmp; // store total num in ptr[0]; *ptr = 3; ptr++; namelist *cur = (namelist *)ptr; // store items tmp.id = 1; strcpy(tmp.name, "Nellson"); *cur++ = tmp; tmp.id = 2; strcpy(tmp.name, "Daisy"); *cur++ = tmp; tmp.id = 3; strcpy(tmp.name, "Robbie"); *cur++ = tmp; exit(0); } else{ // parent process sleep(1); struct namelist tmp; int total = *ptr; printf("/nThere is %d item in the shm/n", total); ptr++; namelist *cur = (namelist *)ptr; for (int i = 0; i< total; i++) { tmp = *cur; printf("%d: %s/n", tmp.id, tmp.name); cur++; } printf("/n"); waitpid(pid, &status, 0); } printf("Parent %d get child status:%d/n", getpid(), status); return 0; }

 

编译执行

 

root:/home/ftpuser/ipc#g++ -o map_posix map_posix.cc
root:/home/ftpuser/ipc#./map_posix
Child 2300: start

There is 3 item in the shm
1: Nellson
2: Daisy
3: Robbie

Parent 2299 get child status:0

 

3.SYSTEM V 共享内存对象

 

/* * System V shared memory in easy to use in Linux 2.6, in this program, we * shared a memory between parent process and child process, stored several * objects of struct namelist in it. We store number of items in ptr[0]. */ #include #include #include #include #include #include #include #include #define SVSHM_MODE (SHM_R | SHM_W | SHM_R>>3 | SHM_R>>6) const char shmfile[] = "./tmp.shm"; const int shmsize = 10; struct namelist { int id; char name[20]; }; int main(void) { int shmid, pid, status; int *ptr; struct shmid_ds buff; // create a systym V shared memory //shmid = shmget(ftok(shmfile, 0), shmsize, SVSHM_MODE | IPC_CREAT); shmid = shmget((key_t)0x12345678, shmsize, SVSHM_MODE | IPC_CREAT); pid = fork(); if (pid == 0) { // child process printf("Child %d: start/n", getpid()); //shmid = shmget(ftok(shmfile, 0), shmsize, SVSHM_MODE | IPC_CREAT); shmid = shmget((key_t)0x12345678, shmsize, SVSHM_MODE | IPC_CREAT); ptr = (int *) shmat(shmid, NULL, 0); shmctl(shmid, IPC_STAT, &buff); struct namelist tmp; // store total num in ptr[0]; *ptr = 3; ptr++; namelist *cur = (namelist *)ptr; // store items tmp.id = 1; strcpy(tmp.name, "Nellson"); *cur++ = tmp; tmp.id = 2; strcpy(tmp.name, "Daisy"); *cur++ = tmp; tmp.id = 3; strcpy(tmp.name, "Robbie"); *cur++ = tmp; exit(0); } else{ // parent process sleep(1); shmctl(shmid, IPC_STAT, &buff); ptr = (int *) shmat(shmid, NULL, 0); struct namelist tmp; int total = *ptr; printf("/nThere is %d item in the shm/n", total); ptr++; namelist *cur = (namelist *)ptr; for (int i = 0; i< total; i++) { tmp = *cur; printf("%d: %s/n", tmp.id, tmp.name); cur++; } printf("/n"); waitpid(pid, &status, 0); } // remvoe a systym V shared memory from system shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); printf("Parent %d get child status:%d/n", getpid(), status); return 0; }

 

编译执行

 

root:/home/ftpuser/ipc#g++ -o shm_v shm_v.cc 
root:/home/ftpuser/ipc#./shm_v
Child 2323: start

There is 3 item in the shm
1: Nellson
2: Daisy
3: Robbie

Parent 2322 get child status:0

 

【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

 

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。

 

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

 

重复1K次，计算时间开销。

 

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

 

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。

 

附上测试源码：

/* * 共享内存读写速度测试 */ #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "module_call.h" #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR) #define SVSHM_MODE (SHM_R | SHM_W | SHM_R>>3 | SHM_R>>6) enum emType { SHMOPEN = 0x01, OPEN = 0x02, SHMGET = 0x04, }; void * GetShmMem(emType type, int size) { void * ptr = NULL; switch (type) { case SHMOPEN: { const char shmfile[] = "/tmp"; int flags = O_RDWR | O_CREAT; int fd = shm_open(shmfile, flags, FILE_MODE); if (fd < 0) { printf("shm_open failed, errormsg=%s errno=%d/n", strerror(errno), errno); return NULL; } ftruncate(fd, size); ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (MAP_FAILED == ptr) { printf("mmap failed, errormsg=%s errno=%d/n", strerror(errno), errno); return NULL; } break; } case OPEN: { const char shmfile[] = "./tmp.shm"; int flags = O_RDWR | O_CREAT; int fd = open(shmfile, flags, FILE_MODE); if (fd < 0) { printf("ope failed, errormsg=%s errno=%d/n", strerror(errno), errno); return NULL; } ftruncate(fd, size); ptr = (int *)mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (MAP_FAILED == ptr) { printf("mmap failed, errormsg=%s errno=%d/n", strerror(errno), errno); return NULL; } break; } case SHMGET: { int shmid; struct shmid_ds buff; const char shmfile[] = "./tmp.shm_v"; shmid = shmget(ftok(shmfile, 0), size, SVSHM_MODE | IPC_CREAT); if (shmid < 0) { printf("shmget failed, errormsg=%s errno=%d/n", strerror(errno), errno); return NULL; } ptr = (int *) shmat(shmid, NULL, 0); if ((void *) -1 == ptr) { printf("shmat failed, errormsg=%s errno=%d/n", strerror(errno), errno); return NULL; } shmctl(shmid, IPC_STAT, &buff); break; } } return ptr; } int realmain(int size, int loop, emType type) { int * array_int = NULL; /* get shmmem*/ array_int = (int *)GetShmMem(type, size); if (NULL == array_int) { printf("GetShmMem failed/n"); return -1; } /* loop */ int array_num = size/sizeof(int); modulecall::call_start(); while (0 != loop) { /* write */ for (int i = 0; i < array_num; i++) { array_int[i] = i; } /* read */ for (int i = 0; i < array_num; i++) { if (array_int[i] != i) { printf("ShmMem is invalid i=%d v=%d/n", i, array_int[i]); return -1; } } loop--; } modulecall::call_end(); printf("timecost=%lld/n", modulecall::call_timecost()); return 0; } int main(int argc, char ** argv) { if (argc < 4) { printf("usage: %s size loop shmtype(1-shmposix 2-mapposix 4-shmv 7-all)/n", argv[0]); return -1; } const int size = atoi(argv[1]); int loop = atoi(argv[2]); const int type = atoi(argv[3]); if ((type&SHMOPEN) == SHMOPEN) { printf("shmopen "); realmain(size, loop, SHMOPEN); } if ((type&OPEN) == OPEN) { printf("open "); realmain(size, loop, OPEN); } if ((type&SHMGET) == SHMGET) { printf("shmget "); realmain(size, loop, SHMGET); } return 0; }