共享單車、共享充電寶、共享雨傘，世間的共享有千萬種，而我獨(dú)愛共享內(nèi)存。

早期的共享內(nèi)存，著重于強(qiáng)調(diào)把同一片內(nèi)存，map到多個進(jìn)程的虛擬地址空間（在相應(yīng)進(jìn)程找到一個VMA區(qū)域），以便于CPU可以在各個進(jìn)程訪問到這片內(nèi)存。

現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于多媒體、Graphics領(lǐng)域的共享內(nèi)存方式，某種意義上不再強(qiáng)調(diào)映射到進(jìn)程虛擬地址空間的概念（那無非是為了讓CPU訪問），而更強(qiáng)調(diào)以某種“句柄”的形式，讓大家知道某一片視頻、圖形圖像數(shù)據(jù)的存在并可以借助此“句柄”來跨進(jìn)程引用這片內(nèi)存，讓視頻encoder、decoder、GPU等可以跨進(jìn)程訪問內(nèi)存。所以不同進(jìn)程用的加速硬件其實(shí)是不同的，他們更在乎的是可以通過一個handle拿到這片內(nèi)存，而不再特別在乎CPU訪問它的虛擬地址（當(dāng)然仍然可以映射到進(jìn)程的虛擬地址空間供CPU訪問）。

只要內(nèi)存的拷貝(memcpy)仍然是一個占據(jù)內(nèi)存帶寬、CPU利用率的消耗大戶存在，共享內(nèi)存作為Linux進(jìn)程間通信、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里各個不同硬件組件通信的最高效方法，都將持續(xù)繁榮。關(guān)于內(nèi)存拷貝會大多程度地占據(jù)CPU利用率，這個可以最簡單地嘗試拷貝1080P，幀率每秒60的電影畫面，我保證你的系統(tǒng)的CPU，蛋會疼地不行。

我早就想系統(tǒng)地寫一篇綜述Linux里面各種共享內(nèi)存方式的文章了，但是一直被帶娃這個事業(yè)牽絆，今日我決定頂著娃娃們的山呼海嘯，也要寫一篇文章不吐不快。

共享內(nèi)存的方式有很多種，目前主流的方式仍然有：

共享內(nèi)存的方式

1.基于傳統(tǒng)SYS V的共享內(nèi)存；

2.基于POSIXmmap文件映射實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存；

3.通過memfd_create()和fd跨進(jìn)程共享實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存；

4.多媒體、圖形領(lǐng)域廣泛使用的基于dma-buf的共享內(nèi)存。

共享內(nèi)存

SYS V共享內(nèi)存

歷史悠久、年代久遠(yuǎn)、API怪異，對應(yīng)內(nèi)核代碼linux/ipc/shm.c，當(dāng)你編譯內(nèi)核的時(shí)候不選擇CONFIG_SYSVIPC，則不再具備此能力。

你在Linux敲ipcs命令看到的share memory就是這種共享內(nèi)存：

下面寫一個最簡單的程序來看共享內(nèi)存的寫端sw.c：

以及共享內(nèi)存的讀端sr.c：

編譯和準(zhǔn)備運(yùn)行：

在此之前我們看一下系統(tǒng)的free:

下面運(yùn)行sw和sr：

我們發(fā)現(xiàn)sr打印出來的和sw寫進(jìn)去的是一致的。這個時(shí)候我們再看下free：

可以看到used顯著增大了（711632 -> 715908）, shared顯著地增大了（2264-> 6360），而cached這一列也顯著地增大326604->330716。

我們都知道cached這一列統(tǒng)計(jì)的是file-backed的文件的page cache的大小。理論上，共享內(nèi)存屬于匿名頁，但是由于這里面有個非常特殊的tmpfs（/dev/shm指向/run/shm,/run/shm則mount為tmpfs）：

所以可以看出tmpfs的東西其實(shí)真的是有點(diǎn)含混：我們可以理解它為file-backed的匿名頁（anonymous page），有點(diǎn)類似女聲中的周深。前面我們反復(fù)強(qiáng)調(diào)，匿名頁是沒有文件背景的，這樣當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存交換的時(shí)候，是與swap分區(qū)交換。磁盤文件系統(tǒng)里面的東西在內(nèi)存的副本是file-backed的頁面，所以不存在與swap分區(qū)交換的問題。但是tmpfs里面的東西，真的是在統(tǒng)計(jì)意義上統(tǒng)計(jì)到page cache了，但是它并沒有真實(shí)的磁盤背景，這又和你訪問磁盤文件系統(tǒng)里面的文件產(chǎn)生的page cache有本質(zhì)的區(qū)別。所以，它是真地有那么一點(diǎn)misc的感覺，凡事都沒有絕對，唯有變化本身是不變的。

也可以通過ipcs找到新創(chuàng)建的SYS V共享內(nèi)存：

POSIX共享內(nèi)存

我對POSIX shm_open()、mmap () API系列的共享內(nèi)存的喜愛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過SYS V 100倍。原諒我就是一個懶惰的人，我就是討厭ftok、shmget、shmat、shmdt這樣的API。

上面的程序如果用POSIX的寫法，可以簡化成寫端psw.c：

讀端：

編譯和執(zhí)行：

這樣我們會在/dev/shm/、/run/shm下面看到一個文件：

坦白講，mmap、munmap這樣的API讓我找到了回家的感覺，剛?cè)胄凶鯨inux的時(shí)候，寫好framebuffer驅(qū)動后，就是把/dev/fb0 mmap到用戶空間來操作，所以mmap這樣的 API，真的是特別親切，像親人一樣。

當(dāng)然，如果你不喜歡shm_open()這個API，你也可以用常規(guī)的open來打開文件，然后進(jìn)行mmap。關(guān)鍵的是mmap，wikipedia如是說：

mmap

In computing, mmap(2) is a POSIX-compliant Unix system call that maps files or devices into memory. It is a method of memory-mapped file I/O. It implements demand paging, because file contents are not read from disk directly and initially do not use physical RAM at all. The actual reads from disk are performed in a "lazy" manner, after a specific location is accessed. After the memory is no longer needed, it is important to munmap(2) the pointers to it. Protection information can be managed using mprotect(2), and special treatment can be enforced using madvise(2).

POSIX的共享內(nèi)存，仍然符合我們前面說的tmpfs的特點(diǎn)，在運(yùn)行了sw,sr后，再運(yùn)行psw和psr，我們發(fā)現(xiàn)free命令再次戲劇性變化：

請將這個free命令的結(jié)果與前2次的free結(jié)果的各個字段進(jìn)行對照:

第3次比第2次的cached大了這么多？是因?yàn)槲揖帉戇@篇文章邊在訪問磁盤里面的文件，當(dāng)然POSIX的這個共享內(nèi)存本身也導(dǎo)致cached增大了。

memfd_create

如果說POSIX的mmap讓我找到回家的感覺，那么memfd_create()則是萬般驚艷。見過這種API，才知道什么叫天生尤物——而且是尤物中的尤物，它完全屬于那種讓碼農(nóng)第一眼看到就會兩眼充血，恨不得眼珠子奪眶而出貼到它身上去的那種API；一般人見到它第一次，都會忽略了它的長相，因?yàn)樗纳聿膶?shí)在太火辣太搶眼了。

先不要浮想聯(lián)翩，在所有的所有開始之前，我們要先提一下跨進(jìn)程分享fd（文件描述符，對應(yīng)我們很多時(shí)候說的“句柄”）這個重要的概念。

眾所周知，Linux的fd屬于一個進(jìn)程級別的東西。進(jìn)入每個進(jìn)程的/proc/pid/fd可以看到它的fd的列表：

這個進(jìn)程的0，1，2和那個進(jìn)程的0，1，2不是一回事。

某年某月的某一天，人們發(fā)現(xiàn)，一個進(jìn)程其實(shí)想訪問另外一個進(jìn)程的fd。當(dāng)然，這只是目的不是手段。比如進(jìn)程A有2個fd指向2片內(nèi)存，如果進(jìn)程B可以拿到這2個fd，其實(shí)就可以透過這2個fd訪問到這2片內(nèi)存。這個fd某種意義上充當(dāng)了一個中間媒介的作用。有人說，那還不簡單嗎，如果進(jìn)程A:

fd = open();

open()如果返回100，把這個100告訴進(jìn)程B不就可以了嗎，進(jìn)程B訪問這個100就可以了。這說明你還是沒搞明白fd是一個進(jìn)程內(nèi)部的東西，是不能跨進(jìn)程的概念。你的100和我的100，不是一個東西。這些基本的東西你搞不明白，你搞別的都是白搭。

Linux提供一個特殊的方法，可以把一個進(jìn)程的fd甩鍋、踢皮球給另外一個進(jìn)程（其實(shí)“甩鍋”這個詞用在這里不合適，因?yàn)椤八﹀仭笔且环N推卸，而fd的傳遞是一種分享）。我特碼一直想把我的bug甩（分）鍋（享）出去，卻發(fā)現(xiàn)總是被人把bug甩鍋過來。

那么如何甩（分）鍋（享）fd呢？