APR分析-共享內存篇

共享內存是一種重要的IPC方式。在項目中多次用到共享內存，只是用而并未深入研究。這次趁研究APR代碼的機會復習了共享內存的相關資料。

APR共享內存封裝的源代碼的位置在$(APR_HOME)/shmem目錄下，本篇blog著重分析unix子目錄下的shm.c文件內容，其相應頭文件為$(APR_HOME)/include/apr_shm.h。

一、共享內存簡單小結

共享內存是最快的IPC方式，因為一旦這樣的共享內存段映射到各個進程的地址空間，這些進程間通過共享內存的數據傳遞就不需要內核的幫忙了。Stevens的解釋是“各進程不是通過執行任何進入內核的系統調用來傳遞數據，顯然內核的責任僅僅是建立各進程地址空間與共享內存的映射，當然像處理頁面故障這一類的底層活還是要做的”。相比之下，管道和消息隊列交換數據時都需要內核來中轉數據，速度就相對較慢。

Unix"歷史悠久",所以在歷史上不同版本的Unix提供了不同的支持共享內存的方式，我想這也是Stevens在《Unix網絡編程第2卷》中花費三章來講解共享內存的原因吧。你也不妨先看看shm.c中的代碼，代碼用條件宏分割不同Share Memory的實現。

二、APR共享內存封裝

APR提供多種創建共享內存的方式，其中最主要的就是apr_shm_create接口，其偽碼如下:

apr_shm_create {if (要創建匿名shm) { #if APR_USE_SHMEM_MMAP_ZERO || APR_USE_SHMEM_MMAP_ANON #if APR_USE_SHMEM_MMAP_ZEROxxxx ----------(1) #elif APR_USE_SHMEM_MMAP_ANONxxxx ----------(2) #endif #endif /* APR_USE_SHMEM_MMAP_ZERO || APR_USE_SHMEM_MMAP_ANON */ #if APR_USE_SHMEM_SHMGET_ANONxxxx ----------(3) #endif} else { /*創建有名shm*/ #if APR_USE_SHMEM_MMAP_TMP || APR_USE_SHMEM_MMAP_SHM #if APR_USE_SHMEM_MMAP_TMPxxxx ----------(4) #endif #if APR_USE_SHMEM_MMAP_SHMxxxx ----------(5) #endif #endif /* APR_USE_SHMEM_MMAP_TMP || APR_USE_SHMEM_MMAP_SHM */ #if APR_USE_SHMEM_SHMGETxxxx ----------(6) #endif} }

apr_shm_create函數代碼很長，之所以這樣是因為其支持多種創建Share Memory的方式，在上面的偽代碼中公用條件宏分隔了6種方式，這6中方式將在下面分析。可以看出shmem主要分為"匿名的"和"有名的",其中"有名的"都是通過filename來標識(或通過ftok轉換filename而得到的shmid來標識).

其中不同版本Unix創建匿名shmem的做法如下:

(1) SVR4通過映射"/dev/zero"設備文件來獲取匿名共享內存，其代碼一般為:

fd = open("/dev/zero", ..); ptr = mmap(..., MAP_SHARED, fd, ...);

(2) 4.4 BSD提供更加簡單的方式來支持匿名共享內存(注意標志參數MAP_XX)

ptr = mmap(..., MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, ...);

(3) System V匿名共享內存區的做法如下:

shmid = shmget(IPC_PRIVATE, ...); ptr = shmat(shmid, ...);

匿名共享內存一般都用于有親緣關系的進程間的數據通訊。由父進程創建共享內存，子進程自動繼承下來。由于是匿名，沒有親緣關系的進程是不能動態連接到該共享內存區的。

不同版本Unix創建有名shmem的做法如下:

(4)由于是有名的shmem，所以與匿名不同的地方在于用filename替代"/dev/zero"做映射。

fd = open(filename, ...); apr_file_trunc(...); ptr = mmap(..., MAP_SHARED, fd, ...);

(5) Posix共享內存的做法

fd = shm_open(filename, ...); apr_file_trunc(...); ptr = mmap(..., MAP_SHARED, fd, ...);

值得注意的一點就是通過shm_open映射的共享內存可以供無親緣關系的進程共享。apr_file_trunc用于重新設定共享內存對象長度。

(6) System V有名共享內存區的做法如下:

shmkey = ftok(filename, 1);

shmid = shmget(shmkey, ...); //相當于open orshm_open

ptr = shmat(shmid, ...); //相當于mmap

有名共享內存一般都與一個文件相關，該文件映射到共享內存段，而不同的進程(包括無親緣關系的進程)則都映射到該文件以達到目的。在APR中通過apr_shm_attach可以動態將調用進程連接到已存在的共享內存上，前提是你必須知道該共享內存區的標識，在APR中一律用filename做標識。

三、總結

內核架起了多個進程間

共享數據的紐帶--共享內存。通過上面的敘述你會發現共享內存的創建其實并不困難，真正困難的是共享內存的管理[注1]，在正規的軟件公司像內存/共享內存管理這樣的重要底層功能都是封裝成庫形式的，當然內存管理的內容不是這篇blog重點涉及的內容。

四、參考資料：

1、《Unix網絡編程第2卷》

2、《Unix環境高級編程》

[注1] SIGSEGV和SIGBUS

涉及共享內存的管理就不能不提到訪問共享內存對象。談到訪問共享內存對象就要留神“SIGSEGV和SIGBUS”這兩個信號。

系統分配內存頁來承載內存映射區，由于內存頁大小是固定的，所以存在多余的頁空間空閑，比如待映射文件大小為5000 bytes，內存映射區大小也為5000

bytes。而一個內存頁大小4096，系統勢必要分配兩頁來承載，這時空閑的有效空間為從5000-8191，如果進程訪問這段地址空間也不會發生錯誤。但是要超出8191，就會收到SIGSEGV信號，導致程序停止。關于SIGBUS信號的來歷，這里也舉例說明：若待映射文件大小為5000

bytes，我們在mmap時指定內存映射區size = 15000 > 5000，這時內核真正的共享區承載體大小只有8192（能包容映射文件大小即可），此時在[0，8191]內訪問均沒問題，但在[8192,14999]之間會得到SIGBUS信號；超出15000訪問時會觸發SIGSEGV信號。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的APR分析-共享内存篇的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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