系统程序员成长计划内存管理(一)

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共享内存

大家都知道，进程的地址空间是独立的，它们之间互不影响。比如同样地址为0xabcd1234的内存，在不同的进程中，它们的数据是完全不同的。这样做的好处有：首先是每个进程的地址空间变大了，让编写程序更为容易。其次是一个进程崩溃了，不会影响其它进程，提高了系统的稳定性。

要做到进程的地址空间独立，光靠软件是难以实现的，通常还依赖于硬件的帮助。这种硬件称为MMU(Memory Manage Unit)，即所谓的内存管理单元。在这种体系结构下，内存分为物理内存和虚拟内存两种。物理内存就是实际的内存，机器上装了多大内存条就有多大的物理内存。而应用程序使用的是虚拟内存，访问内存数据时，由MMU根据页表把虚拟内存地址转换对应的物理内存地址。

MMU把各个进程的虚拟内存映射到不同的物理内存上，这样就能保证进程的虚拟内存地址是独立的。由于物理内存远远少于各个进程的虚拟内存的总和，操作系统会把暂时不用的内存数据写到磁盘上去，把腾出来的物理内存分配给有需要的进程使用。一般会创建一个专门的分区存放换出的内存数据，这个分区称为交换分区。

从虚拟内存到物理内存的映射并不是一个字节一个字节映射的，而是以一个称为页(page)最小单位的进行的。页的大小视具体硬件平台而定，通常是 4K。当应用程序访问的虚拟内存的页面不在物理内存里时，MMU产生一个缺页中断，并挂起当前进程，缺页中断处理函数负责把相应的数据从磁盘读入内存，然后唤醒挂起的进程。

进程地址空间独立有它的好处，但我们需要在进程之间共享数据，比如两个进程共享同一段可执行代码或者共享其它数据，这就需要共享内存。实现共享内存非常容易，只要把两个进程的虚拟内存页面映射同一个物理内存页面就行了。

在程序中使用共享内存非常简单，操作系统或者函数库提供了一些API。如Linux提供了：

void * mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length);

mmap是Linux下创建共享内存最正统的方法，其它共享内存接口都是以它为基础进行包装的。 mmap可以通过参数 start指定映射的地址，但是这个不能保证成功，实际的地址应以返回值为准。如果需要在不同进程之间传递共享内存的地址，最好是在所有进程中，把共享内存映射到同样的地址，为了保证映射成功，需要精心选择一些不常用的内存地址，并在程序初始化时就映射好。

示例：

下面我们用下循环队列(FIFO Ring)，在两个进程之间传递数据，由于循环队列在一个读一个写的情况下不需要加锁，暂时我们可以避开进程间同步的问题。

o 创建共享内存

static int g_shmem_fd = -1;
void* shmem_alloc(size_t size)
{
    g_shmem_fd = open("/dev/shm/demo", O_RDWR); 

    if(g_shmem_fd < 0)
    {
        char* buffer = calloc(size, 1);
        g_shmem_fd = open("/dev/shm/demo", O_RDWR | O_CREAT, 0640);
        write(g_shmem_fd, buffer, size);
        free(buffer);
    } 

    void* addr =  mmap(0, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, g_shmem_fd, 0); 

    return addr;
}

o 释放共享内存

void shmem_free(void* addr, size_t size)
{
    munmap(addr, size);
    close(g_shmem_fd); 

    return;
}

这里用了一个全局变量 g_shmem_fd来保存文件描述符，这里不好的，在后面的内存管理器中，我们会把它封装到内存管理器。

o 创建循环队列

FifoRing* fifo_ring_create(size_t length)
{
    FifoRing* thiz = NULL; 

    return_val_if_fail(length > 1, NULL); 

    thiz = (FifoRing*)shmem_alloc(sizeof(FifoRing) + length * sizeof(void*)); 

    if(thiz != NULL)
    {
        if(thiz->inited == 0)
        {
            thiz->r_cursor = 0;
            thiz->w_cursor = 0;
            thiz->length   = length;
            thiz->inited = 1;
        }
    } 

    return thiz;
}

这里的 shmem_alloc代替了以前的malloc。

o 销毁循环队列

void fifo_ring_destroy(FifoRing* thiz)
{
    if(thiz != NULL)
    {
        shmem_free(thiz, sizeof(FifoRing) + thiz->length * sizeof(void*));
    } 

    return;
}

这里的shmem_free代替了以前的free。

循环队列的其它函数实现不变，有兴趣的读者可以参考完整的示例代码。