源码分析Linux共享内存内核源码分析

1. 概述

共享内存是一种进程间通信的方式，可以使多个进程共享同一块物理内存区域。在Linux内核中，共享内存的实现是通过sysv共享内存机制和内核中相应的数据结构来完成的。

2. sysv共享内存

SysV共享内存是一种用于进程间通信的IPC方式，它允许多个进程共享同一块物理内存区域。在Linux内核中，sysv共享内存的实现主要涉及到以下几个关键的数据结构：

2.1 shmid_ds

shmid_ds是共享内存的描述结构体，它包含了共享内存的状态信息，如共享内存的大小、创建者的用户ID等。在内核中，共享内存的描述结构体是通过struct shmid_kernel来表示的。

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;  /* 共享内存的访问权限 */
    size_t          shm_segsz; /* 共享内存的大小 */
    time_t          shm_atime; /* 最近一次访问时间 */
    time_t          shm_dtime; /* 最近一次删除时间 */
    time_t          shm_ctime; /* 最近一次变更时间 */
    ipc_uid_t       shm_cuid;  /* 创建者的用户ID */
    ipc_gid_t       shm_cgid;  /* 创建者的组ID */
    int             shm_nattch; /* 目前连接到该共享内存的进程数 */
};

shmid_ds结构体中最重要的字段是shm_segsz和shm_nattch，它们分别表示共享内存的大小和当前连接到该共享内存的进程数。

2.2 shminfo

shminfo结构体是内核中用于管理共享内存的全局参数，它包含了一些与共享内存相关的系统限制，如共享内存的最大大小、共享内存段的最大数量等。

struct shminfo {
    int shmmax; /* 共享内存的最大大小 */
    int shmmin; /* 共享内存的最小大小 */
    int shmmni; /* 共享内存段的最大数量 */
    int shmseg; /* 每个进程最多连接的共享内存段数量 */
    int shmall; /* 共享内存总大小的限制 */
    int __unused1;
    int __unused2;
    int __unused3;
    int __unused4;
};

shminfo结构体中最重要的字段是shmmax和shmmni，它们分别表示共享内存的最大大小和共享内存段的最大数量。

2.3 分配共享内存

在Linux内核中，分配共享内存的函数是sys_shmget，它使用IPC_PRIVATE标志创建一个新的共享内存段，并返回一个唯一的标识符shmid。具体的分配过程如下：

获取sysv共享内存的全局参数shminfo

根据用户传入的key值，查找对应的共享内存实例

如果找到了对应的共享内存实例，则返回其shmid，否则创建一个新的共享内存实例

asmlinkage long sys_shmget(key_t key, size_t size, int flag)
{
    struct shminfo shminfo;
    struct ipc_namespace *ns;
    struct ipc_ids *ids;
    struct shmid_kernel *shp;
    ...
    shp = shm_obtain_object(idr, semid_rmid);
    if (shp)
        return shp->shmid.ki.key;
    newseg = shm_alloc_ns(kern_ns, size, &error);
    if (newseg) {
        shm_init_seg(newseg, flag, &shminfo, shm_flattened);
        newseg->shm_perm.key = key;
        newseg->shm_perm.mode = mode;
        ...
        return newseg->shm_perm.key;
    }
    ...
}

3. 内核中共享内存的实现

在Linux内核中，共享内存的实现主要涉及到以下几个关键的数据结构：

3.1 ipc_ns->shm_ctlids

ipc_namespace结构体中的shm_ctlids字段是一个ipc_ids结构体，用于管理进程和共享内存之间的关系。ipc_ids结构体中的entries字段是一个idr数据结构，用于保存共享内存描述结构体的指针。这样，通过idr树，内核可以根据shmid快速查找到对应的共享内存描述结构体。

struct ipc_ns {
    ...
    struct ipc_ids *shm_ctlids; /* 共享内存的idr树 */
    ...
};

3.2 shmid_kernel

shmid_kernel结构体是共享内存的实际描述结构体，它包含了共享内存的详细信息，并通过将其添加到ipc_ns->shm_ctlids中来管理。

struct shmid_kernel {
    struct kern_ipc_perm  shmid_kernel;
    struct shmid_ds       shmid_ds;
    struct rb_node        list;
    struct rb_node        idr_node;
    struct list_head      shm_clist;
    struct rcu_head       rcu;
};

shmid_kernel结构体中的shmid_kernel字段是共享内存的内核级权限信息，通过它可以对共享内存进行管理和控制。

4. 小结

本文主要对Linux内核中的共享内存进行了源码分析。通过深入理解sysv共享内存机制和相关的数据结构，我们可以更好地理解和使用共享内存，并能够定位和解决共享内存相关的问题。