Разделяемая память

Разделяемая память (англ. Shared memory) является самым быстрым средством обмена данными между процессами[1].

Наглядное представление разделяемой памяти

В других средствах межпроцессового взаимодействия (IPC) обмен информацией между процессами проходит через ядро, что приводит к переключению контекста между процессом и ядром, т.е. к потерям производительности[2].

Техника разделяемой памяти позволяет осуществлять обмен информацией через общий для процессов сегмент памяти без использования системных вызовов ядра. Сегмент разделяемой памяти подключается в свободную часть виртуального адресного пространства процесса[3]. Таким образом, два разных процесса могут иметь разные адреса одной и той же ячейки подключенной разделяемой памяти.

Краткое описание работы

После создания разделяемого сегмента памяти любой из пользовательских процессов может подсоединить его к своему собственному виртуальному пространству и работать с ним, как с обычным сегментом памяти. Недостатком такого обмена информацией является отсутствие каких бы то ни было средств синхронизации, однако для преодоления этого недостатка можно использовать технику семафоров.

Реализация технологии «клиент—сервер»

В схеме обмена данными между двумя процессами — (клиентом и сервером), использующими разделяемую память, — должна функционировать группа из двух семафоров. Первый семафор служит для блокирования доступа к разделяемой памяти, его разрешающий сигнал — 1, а запрещающий — 0. Второй семафор служит для сигнализации сервера о том, что клиент начал работу, при этом доступ к разделяемой памяти блокируется, и клиент читает данные из памяти. Теперь при вызове операции сервером его работа будет приостановлена до освобождения памяти клиентом.

Сценарий использования разделяемой памяти
  1. Сервер получает доступ к разделяемой памяти, используя семафор.
  2. Сервер производит запись данных в разделяемую память.
  3. После завершения записи данных сервер освобождает доступ к разделяемой памяти с помощью семафора.
  4. Клиент получает доступ к разделяемой памяти, запирая доступ к этой памяти для других процессов с помощью семафора.
  5. Клиент производит чтение данных из разделяемой памяти, а затем освобождает доступ к памяти с помощью семафора.

Программная реализация

В программном обеспечении разделяемой памятью называют:

  • Метод межпроцессного взаимодействия (IPC), то есть способ обмена данными между программами, работающими одновременно. Один процесс создаёт область в оперативной памяти, которая может быть доступна для других процессов.
  • Метод экономии памяти, путём прямого обращения к тем исходным данным, которые при обычном подходе являются отдельными копиями исходных данных, вместо отображения виртуальной памяти или описанного метода . Такой подход обычно используется для разделяемых библиотек и для XIP.

Поскольку оба процесса могут получить доступ к общей области памяти как к обычной памяти, это очень быстрый способ связи (в отличие от других механизмов IPC, таких как именованные каналы, UNIX-сокеты или CORBA). С другой стороны, такой способ менее гибкий, например, обменивающиеся процессы должны быть запущены на одной машине (из перечисленных методов IPC только сетевые сокеты, не путать с сокетами домена UNIX, могут вести обмен данными через сеть), и необходимо быть внимательным, чтобы избежать проблем при использовании разделяемой памяти на разных ядрах процессора и аппаратной архитектуре без когерентного кэша.

Обмен данными через разделяемую память используется, например, для передачи изображений между приложением и X-сервером на Unix системах, или внутри объекта IStream возвращаемого CoMarshalInterThreadInterfaceInStream в библиотеке COM под Windows.

Динамические библиотеки, как правило, загружаются в память один раз и отображены на несколько процессов, и только страницы, которые специфичны для отдельного процесса (поскольку отличаются некоторые идентификаторы) дублируются, как правило, с помощью механизма, известного как копирование-при-записи, который при попытке записи в разделяемую память незаметно для вызывающего запись процесса копирует страницы памяти, а затем записывает данные в эту копию.

В UNIX-подобных операционных системах

POSIX предоставляет стандартизированное API для работы с разделяемой памятью — POSIX Shared Memory. Одной из ключевых особенностей операционных систем семейства UNIX является механизм копирования процессов (системный вызов fork()), который позволяет создавать анонимные участки разделяемой памяти перед копированием процесса и наследовать их процессами-потомками. После копирования процесса разделяемая память будет доступна как родительскому, так и дочернему процессу.[3][4]

Существует два разных подхода к подключению и использованию разделяемой памяти:

Разделяемая память в стиле UNIX System V

UNIX System V предоставляет набор функций языка C, позволяющий работать с разделяемой памятью[7]:

  • shmget — создание сегмента разделяемой памяти с привязкой к целочисленному идентификатору, либо анонимного сегмента разделяемой памяти (при указании вместо идентификатора значения IPC_PRIVATE)[8];
  • shmctl — установка параметров сегмента памяти[9];
  • shmat — подключение сегмента к адресному пространству процесса[4];
  • shmdt — отключение сегмента от адресного пространства процесса[10].

Именованная разделяемая память подразумевает ассоциацию с каждым участком памяти уникального числового ключа в рамках операционной системы, по которому в дальнейшем можно подключить разделяемую память в другом процессе.[8]

Разделяемая память POSIX

POSIX позволяет связать с объектом разделяемой памяти файловый дескриптор, что является более унифицированным механизмом, чем механизм UNIX System V. Для работы с памятью могут быть использованы следующие функции языка C:

  • shm_open — создание или подключение объекта разделяемой памяти POSIX по его имени[6];
  • shm_unlink — удаление объекта разделяемой памяти по его имени (при этом сегмент разделяемой памяти будет существовать, пока не будет отключен от всех процессов)[11];
  • ftruncate — задаёт или изменяет размер разделяемой памяти (или отображённого в память файла)[12];
  • mmap — подключает существующий или создаёт анонимный сегмент разделяемой памяти к адресному пространству процесса[3].

В операционных системах семейства Windows

В операционной системе Windows для создания разделяемой памяти используются функции CreateFileMapping и MapViewOfFile[13] из MSDN.

Поддержка в языках программирования

Некоторые библиотеки языка C++ предлагают доступ к работе с разделяемой памятью в кроссплатформенном виде. Например, библиотека Boost предоставляет класс boost::interprocess::shared_memory_object[14] для POSIX-совместимых операционных систем, а библиотека Qt предоставляет класс QSharedMemory, унифицирующий доступ к разделяемой памяти для разных операционных систем с некоторыми ограничениями[15].

В Java 7 под операционной системой GNU/Linux разделяемая память может быть реализована отображением файла из каталога /dev/shm/ (либо /run/shm/, в зависимости от дистрибутива) в память[16] с помощью метода map класса java.nio.MappedByteBuffer[17].

Поддержка разделяемой памяти осуществлена во многих других языках программирования. Так, PHP предоставляет API[18] для создания разделяемой памяти, чьи функции схожи с функциями POSIX.

См. также

Примечания
  1. Колисниченко Денис Николаевич. Разработка Linux-приложений. — БХВ-Петербург, 2012-01-01. — 430 с. — ISBN 9785977507479.
  2. Hyok-Sung Choi, Hee-Chul Yun. Context Switching and IPC Performance Comparison between uClinux and Linux on the ARM9 based Processor (англ.) // Samsung Electronics : Технический отчёт. — 2004. Архивировано 6 марта 2016 года.
  3. mmap. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  4. shmat. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  5. System Interfaces Chapter 2. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  6. shm_open. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  7. Kay A. Robbins. UNIX systems programming: communication, concurrency, and threads. — Prentice Hall PTR, 2003. — С. 512.
  8. shmget. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  9. shmctl. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  10. shmdt. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  11. shm_unlink. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  12. ftruncate. pubs.opengroup.org. Дата обращения: 3 января 2016.
  13. Creating Named Shared Memory.
  14. Sharing memory between processes - 1.60.0. www.boost.org. Дата обращения: 4 января 2016.
  15. QSharedMemory Class | Qt Core 5.5. doc.qt.io. Дата обращения: 4 января 2016.
  16. shm_overview(7) - Linux manual page. man7.org. Дата обращения: 4 января 2016.
  17. MappedByteBuffer (Java Platform SE 7 ). docs.oracle.com. Дата обращения: 4 января 2016.
  18. Shared Memory Functions in PHP-API.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.