探讨一下 Linux 共享内存的 N 种方式

关于 Linux 共享内存,写得最好的应该是宋宝华的 《世上最好的共享内存》一文。

本文可以说是对这篇文章的学习笔记,顺手练习了一下 rust libc —— shichaoyuan/learn_rust/linux-shmipc-demo

按照宋宝华的总结,当前有四种主流的共享内存方式:

  1. 基于传统 SYS V 的共享内存;
  2. 基于 POSIX mmap 文件映射实现共享内存;
  3. 通过 memfd_create() 和 fd 跨进程共享实现共享内存;
  4. 多媒体、图形领域广泛使用的基于 dma-buf 的共享内存。

前两种方式比较符合传统的用法,共享内存做为进程间通信的媒介。
第三种方式更像是通过传递内存“句柄”进行数据传输。
第四种方式是为设备间传递数据设计,避免内存拷贝,直接传递内存“句柄”。

这里尝试了一下第二种和第三种方式。

1. POSIX mmap

这套 API 应该是最普遍的 —— shm_open + mmap,本质上来说 Aeron 也是用的这种方式(关于 Aeron 可以参考我之前的文章)。

看一下 glibc 中 shm_open 函数的实现就一清二楚了:


shm_open 函数就是在 /dev/shm 目录下建文件,该目录挂载为 tmpfs,至于 tmpfs 可以简单理解为存储介质是内存的一种文件系统,更准确的理解可以参考官方文档 tmpfs.txt

然后通过 mmap 函数将 tmpfs 文件映射到用户空间就可以随意操作了。

优点:
这种方式最大的优势在于共享的内存是有“实体”(也就是 tmpfs 中的文件)的,所以多个进程可以很容易通过文件名这个信息构建共享内存结构,特别适合把共享内存做为通信媒介的场景(例如 Aeron)。

缺点:
如果非要找一个缺点的话,可能是,文件本身独立于进程的生命周期,在使用完毕后需要注意删除文件(仅仅 close 是不行的),否则会一直占用内存资源。

2. memfd_create

memfd_create 函数的作用是创建一个匿名的文件,返回对应的 fd,这个文件当然不普通,它存活在内存中。更准确的理解可以参考官方文档 memfd_create(2)

直观理解,memfd_create 与 shm_open 的作用是一样的,都是创建共享内存实体,只是 memfd_create 创建的实体是匿名的,这就带了一个问题:如何让其它进程获取到匿名的实体?shm_open 方式有具体的文件名,所以可以通过打开文件的方式获取,那么对于匿名的文件怎么处理呢?

答案是:通过 Unix Domain Socket 传递 fd。

rust 的 UDS 实现:
rust 在 std 中已经提供了 UDS 的实现,但是关于传递 fd 的 send_vectored_with_ancillary 函数还属于 nightly-only experimental API 阶段。所以这里使用了一个三方 crate —— sendfd,坦白说可以自己实现一下,使用 libc 构建好 SCM_RIGHTS 数据,sendmsg 出去即可,不过细节还是挺多,我这里就放弃了。

这套 API 设计更灵活,直接拓展了我的思路,本来还是受限于 Aeron 的用法,如果在这套 API 的加持下,是否可以通过传递数据包内存块(fd)真正实现零拷贝呢?

优点:
灵活。

缺点:

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