分析linux共享内存的实现

Linux对共享内存的实现，在2.6采用了内存映射技术。对于内存共享，主要集中在三个内核函数，他们是do_shmat，sys_shmat和sys_shmdt。其中，sys_shmat调用了do_shmat最终实现了共享内存的attach。sys_shmdt实现了共享内存的detach和destroy。下面我主要对这三个函数的源码进行分析。在分析之前，首先介绍共享内存实现原理。

原理：
我们知道，LINUX的进程拥有自己独立的地址空间，这点和vxworks是不同的。系统中多个进程共享同一内存段，可以通过系统提供的共享内存机制进行。当进程向系统提出创建或附着共享内存的申请的时候，内核会为每一个新的共享内存段提供一个shmid_kernel的数据结构来维护共享段和文件系统之间的关系（也可以理解成共享内存段和文件系统之间建立关系的桥梁）。下面就是这个数据结构：
这个数据结构定义在shm.h头文件中
struct shmid_kernel /* private to the kernel */
{
struct kern_ipc_perm shm_perm; // 访问权限的信息
struct file * shm_file; // 指向虚拟文件系统的指针
unsigned long shm_nattch; // 有多少个进程attach上了这个共享内存段
unsigned long shm_segsz; // 共享内存段大小
// 以下是一些访问时间的相关信息
time_t shm_atim;
time_t shm_dtim;
time_t shm_ctim；

pid_t shm_cprid;
pid_t shm_lprid;
struct user_struct *mlock_user;
};
该数据结构中最重要的部分就是shm_file这个字段。它指向了共享内存对应的文件。在该结构中有一个字段，f_mapping，它指向了该内存段使用的页面（物理内存）。同时，结构中，也包含一个字段，f_path，用于指向文件系统中的文件(dentry->inode)，这样就建立了物理内存和文件系统的桥梁。当进程需要创建或者attach共享内存的时候，在用户态，会先向虚拟内存系统申请各自的vma_struct，并将其插入到各自任务的红黑树中，该结构中有一个成员vm_file，它指向的就是struct file(shm_file)。这样虚拟内存、共享内存（文件系统）和物理内存就建立了连接。

接着我们来看看主要的函数：
do_shmat：
1. 这个函数首先根据shared memory的id，在内核中查找相应的shmid_struct。
shp = shm_lock_check(ns, shmid);
if (IS_ERR(shp)) {
err = PTR_ERR(shp);
goto out;
}

2. 对访问者进行访问权限检查
if (ipcperms(&shp->shm_perm, acc_mode))
goto out_unlock;
3. 获取共享内存对应的文件的信息。
获取文件表项
path.dentry = dget(shp->shm_file->f_path.dentry);
获取挂接点
path.mnt = shp->shm_file->f_path.mnt;
共享内存引用计数自增
shp->shm_nattch++;
通过i节点获取文件大小
size = i_size_read(path.dentry->d_inode);

4. 分配相应的数据结构，并进行初始化。
err = -ENOMEM;
从slab分配其中分配shm_file_data数据结构
sfd = kzalloc(sizeof(*sfd), GFP_KERNEL);
if (!sfd)
goto out_put_dentry;
分配一个struct file的数据结构
file = alloc_file(path.mnt, path.dentry, f_mode, &shm_file_operations);
if (!file)
goto out_free;
初始化file。
file->private_data = sfd;
file->f_mapping = shp->shm_file->f_mapping;
sfd->id = shp->shm_perm.id;
sfd->ns = get_ipc_ns(ns);
sfd->file = shp->shm_file;
sfd->vm_ops = NULL;

5. 最后进行内存映射，完成attach操作。
user_addr = do_mmap (file, addr, size, prot, flags, 0);

sys_shmat：
他是系统调用函数，他调用了do_shmat。

sys_shmdt：
首先查找相应的vma，如果找到执行ummap操作。