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共享内存技术

news 来源：原创 2025/9/10 9:59:44

一、共享内存

共享内存是一种高效的进程间通信（IPC）机制，允许多个进程直接访问同一块物理内存区域，无需通过内核缓冲区或文件进行数据拷贝。它通常用于需要低延迟、高吞吐量的数据交换场景（如实时系统、高频交易、多进程协作）。
共享内存的实现有两种方式，一种是使用文件映射即多个进程映射同一文件到各自的虚拟地址空间，操作系统通过页缓存同步内存与文件内容；而另外一种是匿名共享内存，即直接分配一块物理内存，供多个进程共享内存。
共享内存和内存映射看上去有点相似，但其实是两个层次的应用。一般来说，共享内存的实现方式可以是内存映射（Posix），当然也可以是其它实现方式。但基本上整体的原理都差不多。共享内存是应用而内存映射是下层实现的手段。

二、内部原理

共享内存的主要原理是在操作系统中分配一块物理内存区域，并将其映射到多个进程的虚拟地址空间中。每个进程都可以通过自己的虚拟地址直接访问这块共享内存。而且共享内存绕开了数据从内核到用户层的数据拷贝减少了开销增加了效率。
但是需要注意的是，共享内存的访问仍然受传统的数据同步限制，以防止在多进程访问状态下的竞态问题。

三、共享内存的实现和优缺点

不同系统的平台上共享内存实现有所不同。在类UNIX平台上，主要分为两类：
1、利用内存映射实现
内存映射实现的方法有两大类，一种是利用匿名映射，即直接分配物理内存（Linux 的 MAP_ANONYMOUS，Windows 的 CreateFileMapping），内存被映射到不同的进程中就可以直接访问；另外一类是使用文件的内存映射，这就比较简单了，类似于共同访问同一个文件。
2、传统System V共享内存
这是实现方式是传统 UNIX 标准，主要通过系统的API接口 shmget、shmat 等系统调用管理。通过唯一标识符（shmid）访问相关的共享内存。

对于共享内存来说，它的优点非常明显：
1、访问速度快
2、大数据访问效率高
3、跨进程通信方便

当然，有缺点就有优点：
1、存在数据竞态的条件
2、需要显示控制内存
3、不同平台的实现细节差异较大
4、分布式应用受限

四、应用场景

共享内存的应用场景非常多，包括在Android的Framework与内核通信过程都应用到了共享内存。具体的主要场景包括：
1、实时数据处理
比如在股票和期货的高频交易系统中以及一些特定的传感器数据处理都会用到
2、多进程的数据交互
这种就非常多了，比如图像或视频处理中，多个进程需要对相关的数据进行共享
3、高性能计算
在一些大型的模型计算，以及一些AI处理过程中，需要进行数据共享
4、游戏开发
游戏中对实时性要求非常高，所以游戏引擎对各种数据的共享就会用到共享内存
5、消息队列系统
在某些特定情况下，消息队列也有可能会用到共享内存
6、数据库系统
数据库系统可以利用共享内存来实现数据快速交换及减少硬盘的访问次数

五、实例分析

下面看几种不同的共享内存实现的例子：

//mmap
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int shm_fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_RDWR, 0666);ftruncate(shm_fd, 1024);char* shared_mem = mmap(NULL, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);//各个进程可以操作shared_memstrcpy((char*)shared_mem, "this is test!");//......munmap(shared_mem, 1024);shm_unlink("/my_shm");return 0;
}
//Systmem V
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {key_t key = ftok("shmfile", 611);int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);if (shmid == -1) {perror("shmget");return 1;}char *sm = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);if (str == (char *)(-1)) {perror("shmat");return 1;}//读写共享内存smstrcpy(sm, "this is test!");shmdt(sm);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

Windows平台的例子：

#include <Windows.h>
#include <iostream>int main() {HANDLE hMapFile = CreateFileMapping(INVALID_HANDLE_VALUE,  NULL,                   PAGE_READWRITE,       0,                     1024,                  L"my_sm");if (hMapFile == NULL) {std::cerr << "create error !" << std::endl;return 1;}LPVOID shared_mem = MapViewOfFile(hMapFile,              FILE_MAP_ALL_ACCESS,   0,0,1024);if (shared_mem == NULL) {std::cerr << "MapViewOfFile failed: " << GetLastError() << std::endl;CloseHandle(hMapFile);return 1;}//操作共享内存strcpy_s((char*)shared_mem, 1024, "this is test!");UnmapViewOfFile(shared_mem);CloseHandle(hMapFile);return 0;
}

上面的代码不复杂，再说这种技术也不是什么新技术，相对要简单很多。

六、总结

计算机技术中很多技术都是从一条技术栈中衍生出来，即使目前看起来目前没有太大关系的两条技术栈，很可能未来也可能融合到一起。所以想要把计算机技术搞深入搞精通，就必须抓住主要的技术栈，然后把技术脉络缕清，那么这个技术就没有什么问题了。
见微而知著，莫不如此。