IPC共享内存与线程内存的性能差异

Question

我经常听说，与在线程之间访问进程内存相比，在进程之间访问共享内存段没有性能损失。换句话说，多线程应用程序不会比使用共享内存的一组进程快（不包括锁定或其他同步问题）。

但我有我的怀疑：

1)shmat（）将本地进程虚拟内存映射到共享段。这种转换必须为每个共享内存地址执行，并且可能表示一个很大的开销。在多线程应用程序中，不需要额外的转换：所有VM地址都转换为物理地址，就像在不访问共享内存的常规进程中一样。

2）内核必须以某种方式维护共享内存段。例如，当连接到shm的所有进程都被关闭时，shm段仍然是正常的，并且最终可以被新启动的进程重新访问。在shm段上可能会有一些与内核操作相关的开销。

多进程共享内存系统和多线程应用程序一样快吗？

Answer 1

1)shmat（）将本地进程虚拟内存映射到共享段。这种转换必须针对每个共享内存地址执行，并且相对于shm访问的数量来说，它可能表示一个很大的开销。在多线程应用程序中，不需要额外的转换：所有VM地址都被转换为物理地址，就像在不访问共享内存的常规进程中一样。

与常规内存访问相比，除了在调用shmat()的过程中填充页表的初始成本之外，没有任何开销--在大多数Linux中，每4KB共享内存为1页（4或8字节）。

无论页面是分配、共享还是在同一进程中，（与所有相关的比较）成本都是相同的。

2）共享内存段必须由内核以某种方式维护。我不知道“某种方式”在性能方面意味着什么，但例如，当连接到shm的所有进程都被关闭时，shm段仍然是正常的，并且最终可以被新启动的进程重新访问。在shm段的生存期内，内核需要检查的事情必须至少有一定程度的开销。

无论是否共享，内存的每一页都有一个“结构页”附加到它，其中包含一些关于该页的数据。其中一项是引用计数。当一个页面被发送给一个进程（无论是通过“SHMAT”还是其他机制）时，引用计数就会增加。当通过某种方式释放它时，引用计数就会递减。如果递减的计数为零，页面实际上被释放-否则“它不会发生更多的事情”。

与分配的任何其他内存相比，开销基本上为零。无论如何，同样的机制也用于页面的其他目的--例如，您有一个页面也被内核使用--如果进程死亡，内核需要知道在该页面被内核和用户进程释放之前不要释放该页面。

创建“fork”时也会发生同样的情况。当一个进程被分叉时，父进程的整个页表本质上被复制到子进程中，并且所有页都是只读的。每当发生写操作时，内核就会出现一个错误，从而导致该页被复制--所以现在该页有两个副本，执行写操作的进程可以修改它的页，而不会影响其他进程。一旦子进程（或父进程）死亡，当然，在两个进程都“死亡”之前，仍然由两个进程拥有的所有页面（例如从未写入的代码空间，以及可能从未触及的一堆公共数据，等等）显然无法释放。同样，引用计数的页面在这里也很有用，因为我们只对每个页面的引用计数进行计数，当引用计数为零时--也就是说，当使用该页面的所有进程都释放了它时--该页面实际上会作为“有用页面”返回。

共享库也发生了完全相同的情况。如果一个进程使用共享库，则该进程结束时将释放该库。但是，如果两个、三个或100个进程使用相同的共享库，代码显然必须留在内存中，直到不再需要页面为止。

所以，基本上，整个内核中的所有页面都已经被引用了。头顶上很少。