进程间内存共享设计与实现

1. 概述

进程间共享内存是高效的数据交换机制，通过多个进程共享同一块物理内存，避免了传统进程通信中大量的数据复制。操作系统为共享内存提供管理功能，包括分配、映射、解除映射、释放等操作。

2. 实现细节

共享内存模块设计

• 共享内存段数据结构：

  #define MAX_SHMEM_SEGMENTS 16
  #define MAX_SHMEM_SIZE     4096  // 4KB
  
  struct shmem_segment {
      int id;                     // 段标识符
      void* addr;                 // 物理地址
      int ref_count;              // 引用计数
      int size;                   // 大小
      int is_used;                // 使用标记
  };
  
  

系统调用接口

1. shmem_create(id, size) 创建共享内存段，分配物理内存并记录其状态。
2. shmem_attach(id) 将共享内存映射到当前进程地址空间。
3. shmem_detach(addr) 解除映射，并减少引用计数。
4. shmem_free(id) 释放共享内存段，仅在引用计数为 0 时释放物理内存。

关键功能实现

• 初始化：在系统启动时初始化共享内存表并设置保护锁。
• 创建共享内存段：
  • 验证段 ID 和大小。
  • 分配内存，记录地址和状态。
• 映射共享内存：
  • 验证共享内存是否存在。
  • 计算虚拟地址，将共享内存映射到进程地址空间，增加引用计数。
• 解除映射：
  • 验证地址范围。
  • 减少引用计数；引用计数为 0 时，释放映射。
• 释放共享内存：
  • 确认引用计数为 0 后，释放物理内存并更新表格。