linux 共享内存方式

linux 共享内存实现方式

引言

最近看了宋宝华老师写的《世界上最好的共享内存》，宋宝华老师文章链接: https://cloud.tencent.com/developer/article/1551288，深有感触，正好也在接触这块东西，迫不及待的想要深入学习和复盘下这块知识，所以这里简单写个文章总结下linux共享内存的几种实现方式。

早期传统的共享内存，强调把同一片内存，map到多个进程的虚拟地址空间（在相应进程找到一个VMA区域），通过这种方式CPU可以在各个进程访问到这片内存。

而现在很多场景下其实不再强调映射到进程虚拟地址空间的概念，而是更强调以某种“句柄”的形式，让大家都知道这一句柄的存在，并且可以借助此“句柄”来跨进程引用这片内存。

共享内存的方式有很多种，目前主流的方式有：

• 基于传统SYS V的共享内存；
• 基于POSIX mmap文件映射实现共享内存；
• 通过memfd_create()和fd跨进程共享实现共享内存；

SYSV共享内存

sysv由内核提供，对应内核代码在linux/ipc/shm.c，废话不多说，直接上代码：

• 写端：

#include 
#include 
#include 

int main() {
    key_t key = ftok("/dev/shm/testshm", 0);
    int id = shmget(key, 0x400000, IPC_CREAT | 0666);
    char *p = (char*)shmat(id, nullptr, 0);

    memset(p, 'T', 0x400000);
    shmdt(p);

    return 0;
}

• 读端：

#include 
#include 
#include 

int main() {
    key_t key = ftok("/dev/shm/testshm", 0);
    int id = shmget(key, 0x400000, 0666);
    char *p = (char*)shmat(id, nullptr, 0);

    printf("%c %c %c %c\n", p[0], p[1], p[2], p[3]);
    shmdt(p);

    return 0;
}

运行结果：

通过ipcs可以看到刚才创建的共享内存：

POSIX共享内存

posix通过shm_open 和mmap来实现对共享内存的操作，从API上看比sysv的更易于使用。
直接上代码：

• 写端：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main() {
    int fd = shm_open("testposix", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    ftruncate(fd, 0x400000);

    char *p = (char*)mmap(nullptr, 0x400000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    memset(p, 'T', 0x400000);
    munmap(p, 0x400000);

    return 0;
}

• 读端：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main() {
    int fd = shm_open("testposix", O_RDONLY, 0666);
    ftruncate(fd, 0x400000);

    char *p = (char*)mmap(nullptr, 0x400000, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    printf("%c %c %c %c\n", p[0], p[1], p[2], p[3]);
    munmap(p, 0x400000);

    return 0;
}

运行结果：

在/dev/shm下可以看到：

共享句柄

共享句柄主要是通过：

1. memfd_create 创建匿名fd
2. 将匿名fd 通过unix socket domain进行各个进程共享fd操作

• memfd_create
  这个接口比较有趣，本意是创建匿名fd，它会返回一个“匿名”内存“文件”的fd，而它本身并没有实体的文件系统路径，你通过这个接口创建了一个文件，这个匿名文件不存在路径，只存在内存中。

使用方式：

    int fd = memfd_create("memfd", 0);
    ftruncate(fd, size);

    void *p = mmap(nullptr, 0x400000, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    // do someting for p
    munmap(p, size);

• unix socket domain
  如何跨进程分享fd？我们得通过unix socket domain，我们都知道linux的fd本身是个进程级别的东西，从/proc/pid/fd可以看到每个进程自己的fd列表。
  
  但是进程A的 0 1 2…等fd和进程B的0 1 2…等fd并不是一个概念。简单举个例子，你有个孩子叫狗蛋，你的同事有个孩子也叫狗蛋，但是这两个狗蛋并不是同一个狗蛋…好了，言归正传，linux提供了一种机制，可以把进程A的fd发给进程B。比如进程A有个2的fd，发给进程B的时候，进程B自己本身已经有2这个fd了，那进程B就会把进程A发过来的fd存为100（也是举例）。相当于建立了一个映射机制。
  
  进程A有个2的fd，发给进程B，但是进程B已经有2的fd了，所以进程B把进程A的2fd映射成fd100，这个100进程B本身没有。我们把这种发送称为共享，那如何共享fd，linux提供了unix socket domain机制。

那这种memfd_create+unix socket domain有什么好处呢？
安全！它并不像sysv这种通过key就能访问那片共享内存，这种共享handle的方式通过memfd_create将fd匿名起来。接口上也比sysv更加简洁。至于posix本质也是通过shm_open或者open来打开一个映射到硬盘的文件，本质也存在不安全性。

这种方式的示例过长，就不展示了。。。