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城里的人想出去，城外的人想進來。這是《圍城》里的一句話，它可能比《圍城》本身更加有名。我想這句話的前提是，要么住在城里，要么住在城外，二者只能居其一。否則想住在城里就可以住在城里，想住在城外就可以住在城外，你大可以選擇單日住在城里，雙日住在城外，也就沒有心思去想出去還是進來了。

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理想情況是即可以住在城里又可以住在城外，而不是走向極端。盡管像青蛙一樣的兩棲動物絕不會比人類更高級，但能適應于更多環(huán)境的能力畢竟有它的優(yōu)勢。技術也是如此，共享內(nèi)存和線程局部存儲就是實例，它們是為了防止走向內(nèi)存完全隔離和完全共享兩個極端的產(chǎn)物。

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當我們發(fā)明了MMU時，大家認為天下太平了，各個進程空間獨立，互不影響，程序的穩(wěn)定性將大提高。但馬上又認識到，進程完全隔離也不行，因為各個進程之間需要信息共享。于是就搞出一種稱為共享內(nèi)存的東西。

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當我們發(fā)明了線程的時，大家認為這下可爽了，線程可以并發(fā)執(zhí)行，創(chuàng)建和切換的開銷相對進程來說小多了。線程之間的內(nèi)存是共享的，線程間通信快捷又方便。但馬上又認識到，有些信息還是不共享為好，應該讓各個線程保留一點隱私。于是就搞出一個線程局部存儲的玩意兒。

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共享內(nèi)存和線程局部存儲是兩個重要又不常用的東西，平時很少用，但有時候又離不了它們。本文介紹將兩者的概念、原理和使用方法，把它們放在自己的工具箱里，以供不時之需。

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1.?????????共享內(nèi)存

大家都知道進程空間是獨立的，它們之間互不影響。比如同是0xabcd1234地址的內(nèi)存，在不同的進程中，它們的數(shù)據(jù)是不同的，沒有關系的。這樣做的好處很多：每個進程的地址空間變大了，它們獨占4G(32位)的地址空間，讓編程實現(xiàn)更容易。各個進程空間獨立，一個進程死掉了，不會影響其它進程，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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要做到進程空間獨立，光靠軟件是難以實現(xiàn)的，通常要依賴于硬件的幫助。這種硬件通常稱為MMU(Memory Manage Unit)，即所謂的內(nèi)存管理單元。在這種體系結構下，內(nèi)存分為物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存兩種。物理內(nèi)存就是實際的內(nèi)存，你機器上裝了多大內(nèi)存就有多大內(nèi)存。而應用程序中使用的是虛擬內(nèi)存，訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)時，由MMU根據(jù)頁表把虛擬內(nèi)存地址轉換對應的物理內(nèi)存地址。

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MMU把各個進程的虛擬內(nèi)存映射到不同的物理內(nèi)存上，這樣就保證了進程的虛擬內(nèi)存是獨立的。然而，物理內(nèi)存往往遠遠少于各個進程的虛擬內(nèi)存的總和。怎么辦呢，通常的辦法是把暫時不用的內(nèi)存寫到磁盤上去，要用的時候再加載回內(nèi)存中來。一般會搞一個專門的分區(qū)保存內(nèi)存數(shù)據(jù)，這就是所謂的交換分區(qū)。

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這些工作由內(nèi)核配合MMU硬件完成，內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)內(nèi)核的重要功能。其中為了優(yōu)化性能，使用了不少高級技術，所以內(nèi)存管理通常比較復雜。比如：在決定把什么數(shù)據(jù)換出到磁盤上時，采用最近最少使用的策略，把常用的內(nèi)存數(shù)據(jù)放在物理內(nèi)存中，把不常用的寫到磁盤上，這種策略的假設是最近最少使用的內(nèi)存在將來也很少使用。在創(chuàng)建進程時使用COW(Copy on Write)的技術，大大減少了內(nèi)存數(shù)據(jù)的復制。為了提高從虛擬地址到物理地址的轉換速度，硬件通常采用TLB技術，把剛轉換的地址存在cache里，下次可以直接使用。

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從虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射并不是一個字節(jié)一個字節(jié)映射的，而是以一個稱為頁(page)最小單位的為基礎的，頁的大小視硬件平臺而定，通常是4K。當應用程序訪問的內(nèi)存所在頁面不在物理內(nèi)存中時，MMU產(chǎn)生一個缺頁中斷，并掛起當前進程，缺頁中斷負責把相應的數(shù)據(jù)從磁盤讀入內(nèi)存中，再喚醒掛起的進程。

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進程的虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存映射關系如下圖所示(灰色頁為被不在物理內(nèi)存中的頁):

也許我們很少直接使用共享內(nèi)存，實際上除非性能上有特殊要求，我更愿意采用socket或者管道作為進程間通信的方式。但我們常常間接的使用共享內(nèi)存，大家都知道共享庫（或稱為動態(tài)庫）的優(yōu)點是，多個應用程序可以公用。如果每個應用程序都加載一份共享庫到內(nèi)存中，顯然太浪費了。所以操作系統(tǒng)把共享庫放在共享內(nèi)存中，讓多個應用程序共享。另外，同一個應用程序運行多個實例時，也采用同樣的方式，保證內(nèi)存中只有一份可執(zhí)行代碼。這樣的共享內(nèi)存是設為只讀屬性的，防止應用程序無意中破壞它們。當調試器要設置斷點時，相應的頁面被拷貝一分，設置為可寫的，再向其中寫入斷點指令。這些事情完全由操作系統(tǒng)等底層軟件處理了，應用程序本身無需關心。

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共享內(nèi)存是怎么實現(xiàn)的呢？我們來看看下圖(黃色頁為共享內(nèi)存)：

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由上圖可見，實現(xiàn)共享內(nèi)存非常容易，只是把兩個進程的虛擬內(nèi)存映射同一塊物理內(nèi)存就行了。不過要注意，物理內(nèi)存相同而虛擬地址卻不一定相同，如圖中所示進程1的page5和進程2的page2都映射到物理內(nèi)存的page1上。

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如何在程序中使用共享內(nèi)存呢？通常很簡單，操作系統(tǒng)或者函數(shù)庫提供了一些API給我們使用。如：

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Linux:

void * mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset); int munmap(void *start, size_t length);

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Win32:

HANDLE CreateFileMapping( ? HANDLE hFile,?????? ????????????????// handle to file ? LPSECURITY_ATTRIBUTES lpAttributes, // security ? DWORD flProtect,??????????????????? // protection ? DWORD dwMaximumSizeHigh,??????????? // high-order DWORD of size ? DWORD dwMaximumSizeLow,???????????? // low-order DWORD of size ? LPCTSTR lpName????????????????????? // object name ); BOOL UnmapViewOfFile( ? LPCVOID lpBaseAddress?? // starting address );

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2.?????????線程局部存儲(TLS)

同一個進程中的多個線程，它們的內(nèi)存空間是共享的（棧除外），在一個線程修改的內(nèi)存內(nèi)容，對所有線程都生效。這是一個優(yōu)點也是一個缺點。說它是優(yōu)點，線程的數(shù)據(jù)交換變得非?？旖?。說它是缺點，一個線程死掉了，其它線程也性命不保;?多個線程訪問共享數(shù)據(jù)，需要昂貴的同步開銷，也容易造成同步相關的BUG;。

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在unix下，大家一直都對線程不是很感興趣，直到很晚以后才引入線程這東西。像X Sever要同時處理N個客戶端的連接，每秒鐘要響應上百萬個請求，開發(fā)人員寧愿自己實現(xiàn)調度機制也不用線程。讓人很難想象X Server是單進程單線程模型的。再如Apache(1.3x)，在unix下的實現(xiàn)也是采用多進程模型的，把像記分板等公共信息放入共享內(nèi)存中，也不愿意采用多線程模型。

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正如《unix編程藝術》中所說，線程局部存儲的出現(xiàn)，使得這種情況出現(xiàn)了轉機。采用線程局部存儲，每個線程有一定的私有空間。這可以避免部分無意的破壞，不過仍然無法避免有意的破壞行為。

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個人認為，這完全是因為unix程序不喜歡面向對象方法引起的，數(shù)據(jù)沒有很好的封裝起來，全局變量滿天飛，在多線程情況下自然容易出問題。如果采用面向對象的方法，可以讓這種情況大為改觀，而無需要線程局部存儲來幫忙。

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當然，多一種技術就多一種選擇，知道線程局部存儲還是有用的。盡管只用過幾次線程局部存儲的方法，在那種情況下，沒有線程局部存儲，確實很難用其它辦法實現(xiàn)。

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線程局部存儲在不同的平臺有不同的實現(xiàn)，可移植性不太好。幸好要實現(xiàn)線程局部存儲并不難，最簡單的辦法就是建立一個全局表，通過當前線程ID去查詢相應的數(shù)據(jù)，因為各個線程的ID不同，查到的數(shù)據(jù)自然也不同了。

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大多數(shù)平臺都提供了線程局部存儲的方法，無需要我們自己去實現(xiàn)：

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linux:

方法一： int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destructor)(void*)); int pthread_key_delete(pthread_key_t key); void *pthread_getspecific(pthread_key_t key); int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value); 方法二： __thread int i;

Win32

方法一： DWORD TlsAlloc(VOID); BOOL TlsFree( ??DWORD dwTlsIndex???// TLS index ); BOOL TlsSetValue( ??DWORD dwTlsIndex,??// TLS index ??LPVOID lpTlsValue??// value to store ); LPVOID TlsGetValue( ??DWORD dwTlsIndex???// TLS index ); 方法二： __declspec( thread ) int tls_i = 1;

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~~end~~

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作者聯(lián)系方式：李先靜?<xianjimli at hotmail dot com>

更新時間：2007-7-9

轉載于:https://www.cnblogs.com/sdphome/archive/2011/05/08/2040477.html

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結

以上是生活随笔為你收集整理的大内高手—共享内存与线程局部存储的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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