nginx共享内存分析

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共享内存

共享内存是linux下最基本的进程间通信方式。它通过mmap或者shmget系统调用在内存中创建一块连续的线性地址空间，使用munmap或者shmdt系统调用可以释放这块内存。使用共享内存的好处：当多个进程使用同一块共享内存时，在任何一个进程中修改了共享内存中的内容，其他进程通过访问这段共享内存都能够得到修改后的内容。

数据结构

nginx使用到的数据结构如下：

1 typedef struct {
2    u_char      *addr;    /* 共享内存的起始地址 */
3    size_t       size;    /* 共享内存的长度 */
4    ngx_str_t    name;    /* 共享内存的名字  */
5    ngx_log_t   *log;     /* 记录日志的对象 */
6
7/* unsigned  exists:1;  */ /*共享内存是否已经分配过，1：已经分配 */
8    ngx_uint_t   exists;   
9} ngx_shm_t;

共享内存的API

nginx操作共享内存的API有两个，如下：

1ngx_int_t ngx_shm_alloc(ngx_shm_t *shm);    /* 分配新的共享内存 */
2void ngx_shm_free(ngx_shm_t *shm);    /*释放已经存在的共享内存 */

实现方式

上面是nginx中操作共享内存的两个api。我们应该使用上述两个api对共享内存进行操作。
为了可移植性，nginx使用了三种方式来实现上述的两个api，三种方式分别如下：
1、不映射文件使用mmap分配共享内存
2、以 /dev/zero 文件使用mmap映射共享内存。
3、用shmget调用来分配共享内存

源码分析

源码很简单，我们对mmap实现方式进行简单的分析

 1#if (NGX_HAVE_MAP_ANON)
 2
 3ngx_int_t
 4ngx_shm_alloc(ngx_shm_t *shm)
 5{
 6    /* MAP_ANON:不使用文件映射方式，因此fd,offset无用,相当于在内存开辟一块空间用于共享,由master创建 */
 7    shm->addr = (u_char *) mmap(NULL, shm->size,
 8                                PROT_READ|PROT_WRITE,
 9                                MAP_ANON|MAP_SHARED, -1, 0);
10
11    if (shm->addr == MAP_FAILED) {
12        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
13                      "mmap(MAP_ANON|MAP_SHARED, %uz) failed", shm->size);
14        return NGX_ERROR;
15    }
16
17    return NGX_OK;
18}
19
20
21void
22ngx_shm_free(ngx_shm_t *shm)
23{
24    if (munmap((void *) shm->addr, shm->size) == -1) {
25        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
26                      "munmap(%p, %uz) failed", shm->addr, shm->size);
27    }
28}
29
30#elif (NGX_HAVE_MAP_DEVZERO)

可以看到ngx_shm_alloc和ngx_shm_free的确是对mmap和munmap分别进行了封装。而且使用了MAP_ANON，是在内存中开辟了一块空间用于共享内存，而不是将硬盘中的文件映射。

nginx如何使用共享内存

首先，我们得知道：默认情况下，通过fork派生的子进程并不与其父进程共享内存区。但master与worker进程是父子进程啊，这该怎么办呢？如何让master进程与worker进程共享内存区呢？
解决方法就在于mmap的flags参数。master进程在调用fork之前先指定flags为MAP_SHARED来调用mmap，此时，POSIX是保证父进程中的内存映射关系是存留到子进程中的，父进程对共享内存所做的修改子进程能看到，反过来一样。所以流程是：master进程在内存中以MAP_SHARED方式开辟一块共享内存，并映射到自己进程地址空间中的共享内存区，然后master调用fork，派生子进程，子进程在自己的地址空间内也会继承这块共享内存区。这样问题便解决了。

mmap/munmap 函数

1void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

返回值：成功：被映射区的起始地址；出错：MAP_FAILED
addr: 指定的fd描述符应被映射到进程地址空间的起始地址，一般为NULL，意思就是让内核自己去选择起始地址
len: 映射到进程地址空间的字节数
prot：对这块共享内存中的数据，我们可以处理的方式，如下：

prot	说明
PROT_READ	数据可读
PROT_WRITE	数据可写
PROT_EXEC	数据可执行
PROT_NONE	数据不可访问

flags:变动共享内存区中的数据这一行为是共享的还是私有的，即对所有进程可见，还是只对该进程可见。如下：

flags	说明
MAP_SHARED	变动是共享的
MAP_PRIVATE	变动是私有的
MAP_FIXED	准确的解释addr参数

fd:被映射的文件描述符
offset：被映射区域在文件中的起始位置。
具体的见下图：

映射区域

需要注意的是：nginx的共享内存不是映射文件中的内容。当flags参数中MAP_ANON或MAP_ANONYMOUS，表示不从文件中映射，只从内存中开辟一块连续的线性地址空间出来作为共享内存。因此，这种情况下fd和offset参数就没意义，分别置-1和0即可。

为从某一进程的地址空间中删除一个映射关系，调用munmap。

1int  munmap(void *addr, size_t len);

成功：0；出错：-1

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