Linux的共享內存與自旋鎖

Linux的共享內存（shared memory）是進程間通信的一種機制之一，用於在多個進程之間共享數據。

共享的數據屬於多個進程的共同資源，類似於多線程的數據一樣，也要使用鎖來保護。

線程是使用pthread_mutex來保護，進程可以使用fcntl()對共享內存的文件描述符加鎖，也可以把共享內存的前4位元組當作自旋鎖spinlock來使用。

自旋鎖，可以像之前的文章提到的，以xchg指令為基礎來實現。

「上古風格」的shmget()系列的共享內存API比較麻煩，已經幾乎不再使用了。

現在，共享內存被實現為內核的tmpfs文件系統，可以像一般的文件一樣使用，貫徹了「unix一切皆是文件」的理念。

1，打開共享內存使用的API是shm_open()，它與打開普通文件的open()函數類似，參數和返回值的意義也差不多。

這是它的man手冊，連接時需要加-lrt。

第一個參數為共享內存的名字字符串，類似open的文件名。

第二個參數是打開時的標誌，O_RDWR表示可讀寫，O_CREAT表示如果不存在則創建，O_TRUNC表示如果存在則把大小截斷為0，也與open函數的這個參數含義一樣，一般是聯合使用這三個。

第三個參數是mode，表示Linux的權限，即讀、寫、執行，為3個八進位數字，一般寫為0666，即所有用戶都可讀寫，不可執行。

它的返回值，就是共享內存對應的文件描述符fd，-1表示出錯，可查看errno分析出錯原因。

2，獲得了共享內存的文件描述符fd之後，要用ftruncate()函數把它設置到需要的大小，第一個參數是fd文件描述符，第二個參數是字節大小。

3，最後一步是把共享內存用mmap()函數映射到當前進程裡，獲得一個共享內存的指針，就可以像正常的內存一樣讀寫它了。

區別就是它是被其他進程共享的，而正常的內存是歸所屬進程獨佔的。

自旋鎖

上圖屬於簡單的用戶態自旋鎖spinlock的實現，以xchg指令為基礎，0表示沒加鎖，1表示加鎖，返回0表示獲取鎖成功，返回1表示獲取鎖失敗，配合著sched_yield()進程調度函數使用。

下圖main()函數的前半部分，是共享內存的使用，跟前面提到的一樣分3步。

這裡我們定義了一個shm_t的結構來管理共享內存，它包含一個作為自旋鎖的volatile int lock變量，用於在多進程並發環境裡保護共享內存的數據。

在寫shm_t的其他數據之前要先獲取鎖。

其他數據就是一個int count作測試用，加volatile是防止編譯器優化。

畢竟這一項是共享數據，有可能被其他進程修改，volatile可以要求編譯器必須去讀內存，而不是讀寄存器保存的上次使用的值。

共享內存

mmap()函數的參數較多，可以具體看man手冊，但常用的方式就是這裡寫的這樣。

第二項為要mmap的字節數，最後一項為要mmap的偏移量，倒第二項為要mmap的文件描述符fd。

可見，共享內存對象也是被當作文件來用的。

PROT_READ表示mmap的內存可讀，PROT_WRITE表示可寫，與打開時的權限選擇是一致的，MAP_SHARED表示以共享方式映射，多個進程對這個內存的讀寫是互相影響的。

fork一個子進程測試一下，100萬次++之後看看shm->count是200萬嗎。

如果不加鎖的情況下，因為++屬於「讀-更新-寫」運算，是存在同步問題的，不會是200萬。

賦值=是原子操作，所以解鎖只需要*lock = 0就行。

++運算也可以寫成原子操作：

asm volatile(「lock; inc %0」

: 「=r」(*p)::);

符號、引號「」都是英文的。

這樣就不需要加鎖了，intel允許在一條指令前面加個lock;表示下一條指令執行時要鎖定內存總線，禁止其他CPU訪問內存，從而讓lock的下一條指令成為原子操作。

在只需要做簡單運算時，原子操作的粒度比鎖更小，可以讓代碼儘快離開互斥區，提高代碼效率。

nginx保護監聽socket，避免epoll驚群的那個鎖，也是優先使用共享內存來實現。在共享內存不被支持時，才使用文件鎖。