一文搞定 | Linux 共享内存原理

• 参数 shmid 是 shmget() 函数返回的标识符。
• 参数 shmaddr 是要关联的虚拟内存地址，如果传入 0，表示由系统自动选择合适的虚拟内存地址。
• 参数 shmflg 若指定了 SHM_RDONLY 位，则以只读方式连接此段，否则以读写方式连接此段。

函数调用成功返回一个可用的指针（虚拟内存地址），出错返回 -1。

3. 取消关联共享内存

当一个进程不需要共享内存的时候，就需要取消共享内存与虚拟内存地址的关联。取消关联共享内存通过 shmdt() 函数实现，原型如下：

• 参数 shmaddr 是要取消关联的虚拟内存地址，也就是 shmat() 函数返回的值。

函数调用成功返回 0，出错返回 -1。

共享内存使用例子

下面通过一个例子来介绍一下共享内存的使用方法。在这个例子中，有两个进程，分别为 进程 A 和 进程 B，进程 A 创建一块共享内存，然后写入数据，进程 B 获取这块共享内存并且读取其内容。

进程 A

进程 B

测试时先运行进程 A，然后再运行进程 B，可以看到进程 B 会打印出“Hello World”，说明共享内存已经创建成功并且读取。

共享内存实现原理

我们先通过一幅图来了解一下共享内存的大概原理，如下图：

通过上图可知，共享内存是通过将不同进程的虚拟内存地址映射到相同的物理内存地址来实现的，下面将会介绍 Linux 的实现方式。

在 Linux 内核中，每个共享内存都由一个名为 struct shmid_kernel 的结构体来管理，而且 Linux 限制了系统最大能创建的共享内存为 128 个。通过类型为 struct shmid_kernel 结构的数组来管理，如下：

从注释可以知道 struct shmid_kernel 结构体各个字段的作用，比如 shm_npages 字段表示共享内存使用了多少个内存页。而 shm_pages 字段指向了共享内存映射的虚拟内存页表项数组等。

另外 struct shmid_ds 结构体用于管理共享内存的信息，而 shm_segs 数组 用于管理系统中所有的共享内存。

shmget() 函数实现

通过前面的例子可知，要使用共享内存，首先需要调用 shmget() 函数来创建或者获取一块共享内存。shmget() 函数的实现如下：

shmget() 函数的实现比较简单，首先调用 findkey() 函数查找值为 key 的共享内存是否已经被创建，findkey() 函数返回共享内存在 shm_segs 数组 的索引。如果找到，那么直接返回共享内存的标识符即可。否则就调用 newseg() 函数创建新的共享内存。newseg() 函数的实现也比较简单，就是创建一个新的 struct shmid_kernel 结构体，然后设置其各个字段的值，并且保存到 shm_segs 数组 中。

shmat() 函数实现

shmat() 函数用于将共享内存映射到本地虚拟内存地址，由于 shmat() 函数的实现比较复杂，所以我们分段来分析这个函数：

上面这段代码主要通过 shmid 标识符来找到共享内存描述符，上面说过系统中所有的共享内存到保存在 shm_segs 数组中。

上面的代码主要找到一个可用的虚拟内存地址，如果在调用 shmat() 函数时没有指定了虚拟内存地址，那么就通过 get_unmapped_area() 函数来获取一个可用的虚拟内存地址。

上面的代码主要通过调用 kmem_cache_alloc() 函数创建一个 vm_area_struct 结构，在内存管理一章知道，vm_area_struct 结构用于管理进程的虚拟内存空间。

上面的代码主要是设置刚创建的 vm_area_struct 结构的各个字段，比较重要的是设置其 vm_ops 字段为 shm_vm_ops，shm_vm_ops 定义如下：

shm_vm_ops 的 nopage 回调为 shm_nopage() 函数，也就是说，当发生页缺失异常时将会调用此函数来恢复内存的映射。

从上面的代码可看出，shmat() 函数只是申请了进程的虚拟内存空间，而共享内存的物理空间并没有申请，那么在什么时候申请物理内存呢？答案就是当进程发生缺页异常的时候会调用 shm_nopage() 函数来恢复进程的虚拟内存地址到物理内存地址的映射。

shm_nopage() 函数实现

shm_nopage() 函数是当发生内存缺页异常时被调用的，代码如下：

shm_nopage() 函数的主要功能是当发生内存缺页时，申请新的物理内存页，并映射到共享内存中。由于使用共享内存时会映射到相同的物理内存页上，从而不同进程可以共用此块内存。