Shared memory共享內(nèi)存

計(jì)算機(jī)科學(xué)中，共享內(nèi)存是指可以被多個程序同時訪問的內(nèi)存，目的是提供程序之間的通信或避免冗余拷貝。共享內(nèi)存是程序之間傳遞數(shù)據(jù)的有效手段。根據(jù)上下文，程序可能在一個處理器上運(yùn)行，也可能在多個獨(dú)立的處理器上運(yùn)行。

在單個程序內(nèi)部使用內(nèi)存進(jìn)行通信，例如在其多個線程之間，也被稱為共享內(nèi)存。

三個處理器的共享內(nèi)存系統(tǒng)

1??????在硬件方面

在計(jì)算機(jī)硬件中，共享內(nèi)存指的是多處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中可以被多個不同的中央處理單元(CPU)訪問的隨機(jī)存取內(nèi)存(RAM)塊。

共享內(nèi)存系統(tǒng)可以使用：

1.?????????統(tǒng)一內(nèi)存訪問（UMA）：所有的處理器統(tǒng)一共享物理內(nèi)存。

2.?????????非統(tǒng)一內(nèi)存訪問（NUMA）：內(nèi)存訪問時間取決于相對于處理器的內(nèi)存位置。

3.?????????高速緩沖存儲器架構(gòu)(COMA)：每個節(jié)點(diǎn)上處理器的本地存儲器被用作高速緩沖存儲器，而不是實(shí)際的主存儲器。

共享內(nèi)存系統(tǒng)相對來說比較容易編程，因?yàn)樗械奶幚砥鞫脊蚕硪粋€數(shù)據(jù)視圖，處理器之間的通信可以像訪問同一位置的內(nèi)存一樣快。共享內(nèi)存系統(tǒng)的問題是，許多CPU需要快速訪問內(nèi)存，很可能會緩存內(nèi)存，這有兩個復(fù)雜的問題:

1.?????????訪問時間退化：當(dāng)幾個處理器試圖訪問同一個內(nèi)存位置時，會引起爭奪。試圖訪問附近的內(nèi)存位置可能會導(dǎo)致錯誤的共享。共享內(nèi)存計(jì)算機(jī)不能很好地?cái)U(kuò)展。一般支持10個以內(nèi)的處理器。

2.?????????缺乏數(shù)據(jù)連貫性：每當(dāng)一個緩存更新了可能被其他處理器使用的信息時，需要將變化反映給其他處理器，否則不同的處理器將使用不連貫的數(shù)據(jù)工作。這樣的緩存一致性協(xié)議在工作良好的情況下，可以為多個處理器之間的共享信息提供極其高性能的訪問。另一方面，它們有時會過載，成為性能的瓶頸。

交叉式交換機(jī)、Omega網(wǎng)絡(luò)、HyperTransport或前端總線等技術(shù)可用于抑制瓶頸效應(yīng)。

如果是異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)（整合了不同類型的處理器，如CPU和GPU，共享內(nèi)存的處理器架構(gòu)），CPU的內(nèi)存管理單元（MMU）和GPU的輸入輸出內(nèi)存管理單元（IOMMU）必須共享某些特性，如共享地址空間。

HSA定義了一種特殊的內(nèi)存共享情況，即CPU的MMU和GPU的IOMMU有一個相同的可翻頁的虛擬地址空間。

共享內(nèi)存的替代方案是分布式內(nèi)存和分布式共享內(nèi)存，它們都有一系列類似的問題。

2??????軟件方面

在計(jì)算機(jī)軟件中，共享內(nèi)存是指:

1.?????????進(jìn)程間通信(IPC)的一種方法，即同時運(yùn)行的程序之間交換數(shù)據(jù)的一種方式。一個進(jìn)程會在RAM中創(chuàng)建一個區(qū)域，其他進(jìn)程可以訪問。

2.?????????一種節(jié)約內(nèi)存空間的方法，通過使用虛擬內(nèi)存映射或在相關(guān)程序的明確支持下，將通常是數(shù)據(jù)副本的訪問引導(dǎo)到單個實(shí)例上。這種方法最常用于共享庫和原地執(zhí)行（XIP）。

由于兩個進(jìn)程都可以像訪問普通工作內(nèi)存一樣訪問共享內(nèi)存區(qū)域，所以這是一種非常快速的通信方式（與命名管道、Unix域套接字或CORBA等其他IPC機(jī)制相比）。另一方面，它的可擴(kuò)展性較差，例如通信進(jìn)程必須運(yùn)行在同一臺機(jī)器上（在其他IPC方法中，只有Internet域套接字--而不是Unix域套接字--可以使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)），而且如果共享內(nèi)存的進(jìn)程運(yùn)行在不同的CPU上，而且底層架構(gòu)不具有緩存一致性，必須注意避免出現(xiàn)由此引起的問題。

例如，通過共享內(nèi)存的IPC用于Unix系統(tǒng)中應(yīng)用程序和X服務(wù)器之間的圖像傳輸，或者在Windows下COM庫中CoMarshalInterThreadInterfaceInStream返回的IStream對象內(nèi)。

動態(tài)庫一般只在內(nèi)存中保存一次，并映射到多個進(jìn)程中，只有那些必須為各個進(jìn)程定制的頁面才會被復(fù)制，通常采用一種稱為copy-on-write的機(jī)制，在嘗試寫的時候透明地復(fù)制頁面，然后成功的寫在私有副本上。

2.1????支持類Unix系統(tǒng)

POSIX提供了一個使用共享內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)化API，即POSIX Shared Memory。這使用了sys/mman.h中的函數(shù)shm_open。POSIX進(jìn)程間通信（POSIX:XSI擴(kuò)展的一部分）包括共享內(nèi)存函數(shù)shmat、shmctl、shmdt和shmget。這使用了sys/shm.h中的shmget。BSD系統(tǒng)提供了?"匿名映射內(nèi)存"，可以被多個進(jìn)程使用。

shm_open創(chuàng)建的共享內(nèi)存是持久的。它一直留在系統(tǒng)中，直到被進(jìn)程明確刪除。這有一個缺點(diǎn)，就是如果進(jìn)程崩潰并且沒有清理共享內(nèi)存，它就會一直存在，直到系統(tǒng)關(guān)閉。

POSIX還提供了mmap API，用于將文件映射到內(nèi)存中；映射可以被共享，允許文件的內(nèi)容作為共享內(nèi)存使用。

基于2.6內(nèi)核和更高版本的Linux發(fā)行版以RAM磁盤的形式提供/dev/shm作為共享內(nèi)存，更確切地說，是作為一個公開可寫目錄（系統(tǒng)的每個用戶都可以在其中創(chuàng)建文件的目錄），存儲在內(nèi)存中。基于RedHat和Debian的發(fā)行版都默認(rèn)包含了它。在內(nèi)核配置文件中，對這種類型的RAM磁盤的支持是完全可選的。

2.2????對Windows的支持

在Windows上，可以使用CreateFileMapping和MapViewOfFile函數(shù)在多個進(jìn)程中把文件的某個區(qū)域映射到內(nèi)存中。

2.3????跨平臺支持

一些C++庫提供了可移植和面向?qū)ο蟮脑L問共享內(nèi)存功能。例如，Boost包含Boost.Interprocess C++庫，Qt提供了QSharedMemory類。

2.4????編程語言支持

除了C/C++之外，編程語言中也有對共享內(nèi)存的本地支持。例如，PHP提供了一個創(chuàng)建共享內(nèi)存的API，類似于POSIX函數(shù)。

3??????參考

https://en.wikipedia.org/wiki/Shared_memory

https://www.geeksforgeeks.org/ipc-shared-memory/

https://apiacoa.org/teaching/big-data/smp.en.html

https://www.tutorialspoint.com/inter_process_communication/inter_process_communication_shared_memory.htm

https://opensource.com/article/19/4/interprocess-communication-linux-storage

https://www.it.uu.se/edu/course/homepage/os2/st10/handout-03b.pdf

Windows Linux

版權(quán)聲明：本文內(nèi)容由網(wǎng)絡(luò)用戶投稿，版權(quán)歸原作者所有，本站不擁有其著作權(quán)，亦不承擔(dān)相應(yīng)法律責(zé)任。如果您發(fā)現(xiàn)本站中有涉嫌抄襲或描述失實(shí)的內(nèi)容，請聯(lián)系我們jiasou666@gmail.com 處理，核實(shí)后本網(wǎng)站將在24小時內(nèi)刪除侵權(quán)內(nèi)容。