golang對共用記憶體的操作

這是一個建立於 的文章，其中的資訊可能已經有所發展或是發生改變。

 不同進程間的記憶體是互相獨立的，沒辦法直接互相操作對方內的資料，而共用記憶體則是靠作業系統提供的記憶體映射機制，讓不同進程的一塊地址空間映射到同一個虛擬記憶體地區上，使不同的進程可以操作到一塊共用的記憶體塊。共用記憶體是效率最高的進程間通訊機制，因為資料不需要在核心和程式之間複製。

共用記憶體用到的是系統提供的mmap函數，它可以將一個檔案對應到虛擬記憶體的一個地區中，程式使用指標引用這個地區，對這個記憶體地區的操作會被回寫到檔案上，其函數原型如下：

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

• 參數fd為即將映射到進程空間的檔案描述字，一般由open()返回，同時，fd可以指定為-1，此時須指定flags參數中的MAP_ANON，表明進行的是匿名映射（不涉及具體的檔案名稱，避免了檔案的建立及開啟，很顯然只能用於具有親緣關係的處理序間通訊）。
• len是映射到調用進程地址空間的位元組數，它從被對應檔開頭offset個位元組開始算起。
• prot參數指定共用記憶體的存取權限。可取如下幾個值的或：PROT_READ（可讀）,PROT_WRITE（可寫）,PROT_EXEC（可執行）,PROT_NONE（不可訪問）。
• flags由以下幾個常值指定：MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_FIXED。其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必選其一，而MAP_FIXED則不推薦使用。 如果指定為MAP_SHARED，則對映射的記憶體所做的修改同樣影響到檔案。如果是MAP_PRIVATE，則對映射的記憶體所做的修改僅對該進程可見，對檔案沒有影響。
• offset參數一般設為0，表示從檔案頭開始映射。
• 參數addr指定檔案應被映射到進程空間的起始地址，一般被指定一個null 指標，此時選擇起始地址的任務留給核心來完成。函數的傳回值為最後檔案對應到進程空間的地址，進程可直接操作起始地址為該值的有效地址。

順帶介紹一下shm_open和shm_unlink兩個函數：

shm_open()函數
功能：    開啟或建立一個共用記憶體區
標頭檔：    #include <sys/mman.h>
函數原形：    int shm_open(const char *name,int oflag,mode_t mode);
傳回值：    成功返回0，出錯返回-1
參數：    
    name    共用記憶體區的名字
    oflag    標誌位
    mode    許可權位
參數解釋：oflag參數必須含有O_RDONLY和O_RDWR標誌，還可以指定如下標誌：O_CREAT,O_EXCL或O_TRUNC.mode參數指定許可權位，
它指定O_CREAT標誌的前提下使用。shm_open的傳回值是一個整數描述字，它隨後用作mmap的第五個參數。

shm_unlink()函數
功能：    刪除一個共用記憶體區
標頭檔：    #include <sys/mman.h>
函數原形：    int shm_unlink(const char *name);
參數：     name    共用記憶體區的名字
傳回值：    成功返回0，出錯返回-1
shm_unlink函數刪除一個共用記憶體區對象的名字，刪除一個名字僅僅防止後續的open,mq_open或sem_open調用取得成功。

可以參考此文章的介紹來進一步瞭解mmap等函數：http://www.cnblogs.com/polestar/archive/2012/04/23/2466022.html

可以利用golang調用cgo的方法實現c中的mmap。實驗分為讀和寫兩個程式，這樣我們可以觀察到讀進程可以讀到寫進程寫入共用記憶體的資訊。

shm_writer.go程式碼範例：

package main/*#cgo linux LDFLAGS: -lrt#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <sys/mman.h>#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)int my_shm_new(char *name) {    shm_unlink(name);    return shm_open(name, O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL, FILE_MODE);}*/import "C"import (    "fmt"    "unsafe")const SHM_NAME = "my_shm"const SHM_SIZE = 4 * 1000 * 1000 * 1000type MyData struct {    Col1 int    Col2 int    Col3 int}func main() {    fd, err := C.my_shm_new(C.CString(SHM_NAME))    if err != nil {        fmt.Println(err)        return    }    C.ftruncate(fd, SHM_SIZE)    ptr, err := C.mmap(nil, SHM_SIZE, C.PROT_READ|C.PROT_WRITE, C.MAP_SHARED, fd, 0)    if err != nil {        fmt.Println(err)        return    }    C.close(fd)    data := (*MyData)(unsafe.Pointer(ptr))    data.Col1 = 100    data.Col2 = 876    data.Col3 = 8021}

shm_reader.go程式碼範例：

package main/*#cgo linux LDFLAGS: -lrt#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <sys/mman.h>#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)int my_shm_open(char *name) {    return shm_open(name, O_RDWR, FILE_MODE);}*/import "C"import (    "fmt"    "unsafe")const SHM_NAME = "my_shm"const SHM_SIZE = 4 * 1000 * 1000 * 1000type MyData struct {    Col1 int    Col2 int    Col3 int}func main() {    fd, err := C.my_shm_open(C.CString(SHM_NAME))    if err != nil {        fmt.Println(err)        return    }    ptr, err := C.mmap(nil, SHM_SIZE, C.PROT_READ|C.PROT_WRITE, C.MAP_SHARED, fd, 0)    if err != nil {        fmt.Println(err)        return    }    C.close(fd)    data := (*MyData)(unsafe.Pointer(ptr))    fmt.Println(data)}

上面的程式映射了一塊4G的虛擬記憶體，用來證明mmap沒有實際佔用4G記憶體，而是用到了虛擬記憶體。shm_writer建立好共用記憶體以後，往記憶體地區寫入了一個結構體，shm_reader則讀出一個結構體。

上面代碼中還用到一個cgo的技巧，像shm_open和mmap函數在錯誤時會返回errno，如果我們在go中使用多傳回值文法，cgo會自己把錯誤碼轉換成錯誤資訊，很方便的功能。