由共享内存引发的思考

Posted 2020-08-06

1.共享内存段被映射进进程空间之后，存在于进程空间的什么位置？共享内存段最大限制是多少？

存在于进程数据段，最大限制是0x2000000Byte

将一块内存映射到两个或者多个进程地址空间。通过指针访问该共享内存区。一般通过mmap将文件映射到进程地址共享区。

Linux对共享内存的实现，在2.6采用了内存映射技术。对于内存共享，主要集中在三个内核函数，他们是do_shmat，sys_shmat和sys_shmdt。其中，sys_shmat调用了do_shmat最终实现了共享内存的attach。sys_shmdt实现了共享内存的detach和destroy。下面我主要对这三个函数的源码进行分析。在分析之前，首先介绍共享内存实现原理。

 

原理：

    我们知道，LINUX的进程拥有自己独立的地址空间，这点和vxworks是不同的。系统中多个进程共享同一内存段，可以通过系统提供的共享内存机制进行。当进程向系统提出创建或附着共享内存的申请的时候，内核会为每一个新的共享内存段提供一个shmid_kernel的数据结构来维护共享段和文件系统之间的关系（也可以理解成共享内存段和文件系统之间建立关系的桥梁）。下面就是这个数据结构：

这个数据结构定义在shm.h头文件中

struct shmid_kernel /* private to the kernel */

{  

    struct kern_ipc_perm    shm_perm; // 访问权限的信息

    struct file *       shm_file; // 指向虚拟文件系统的指针

    unsigned long       shm_nattch; // 有多少个进程attach上了这个共享内存段

    unsigned long       shm_segsz; // 共享内存段大小

    // 以下是一些访问时间的相关信息

    time_t          shm_atim;

    time_t          shm_dtim;

    time_t          shm_ctim；

   

    pid_t           shm_cprid;

    pid_t           shm_lprid;

    struct user_struct  *mlock_user;

};

该数据结构中最重要的部分就是shm_file这个字段。它指向了共享内存对应的文件。在该结构中有一个字段，f_mapping，它指向了该内存段使用的页面（物理内存）。同时，结构中，也包含一个字段，f_path，用于指向文件系统中的文件(dentry->inode)，这样就建立了物理内存和文件系统的桥梁。当进程需要创建或者attach共享内存的时候，在用户态，会先向虚拟内存系统申请各自的vma_struct，并将其插入到各自任务的红黑树中，该结构中有一个成员vm_file，它指向的就是struct file(shm_file)。这样虚拟内存、共享内存（文件系统）和物理内存就建立了连接。

 

接着我们来看看主要的函数：

do_shmat：

1.         这个函数首先根据shared memory的id，在内核中查找相应的shmid_struct。

       shp = shm_lock_check(ns, shmid);

       if (IS_ERR(shp)) {

              err = PTR_ERR(shp);

              goto out;

       }

 

2.         对访问者进行访问权限检查

       if (ipcperms(&shp->shm_perm, acc_mode))

              goto out_unlock;

3.         获取共享内存对应的文件的信息。

获取文件表项

       path.dentry = dget(shp->shm_file->f_path.dentry);

       获取挂接点

       path.mnt    = shp->shm_file->f_path.mnt;

       共享内存引用计数自增

       shp->shm_nattch++;

       通过i节点获取文件大小

       size = i_size_read(path.dentry->d_inode);

 

4.         分配相应的数据结构，并进行初始化。

       err = -ENOMEM;

       从slab分配其中分配shm_file_data数据结构

       sfd = kzalloc(sizeof(*sfd), GFP_KERNEL);

       if (!sfd)

              goto out_put_dentry;

       分配一个struct file的数据结构

       file = alloc_file(path.mnt, path.dentry, f_mode, &shm_file_operations);

       if (!file)

              goto out_free;

       初始化file。

       file->private_data = sfd;

       file->f_mapping = shp->shm_file->f_mapping;

       sfd->id = shp->shm_perm.id;

       sfd->ns = get_ipc_ns(ns);

       sfd->file = shp->shm_file;

       sfd->vm_ops = NULL;

 

5.         最后进行内存映射，完成attach操作。

       user_addr = do_mmap (file, addr, size, prot, flags, 0);

 

sys_shmat：

他是系统调用函数，他调用了do_shmat。

 

sys_shmdt：

首先查找相应的vma，如果找到执行ummap操作。