golang对共享内存的操作

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这是一个创建于的文章，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

不同进程间的内存是互相独立的，没办法直接互相操作对方内的数据，而共享内存则是靠操作系统提供的内存映射机制，让不同进程的一块地址空间映射到同一个虚拟内存区域上，使不同的进程可以操作到一块共用的内存块。共享内存是效率最高的进程间通讯机制，因为数据不需要在内核和程序之间复制。

共享内存用到的是系统提供的mmap函数，它可以将一个文件映射到虚拟内存的一个区域中，程序使用指针引用这个区域，对这个内存区域的操作会被回写到文件上，其函数原型如下：

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

参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由open()返回，同时，fd可以指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射（不涉及具体的文件名，避免了文件的创建及打开，很显然只能用于具有亲缘关系的进程间通信）。
len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。
prot参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或：PROT_READ（可读）,PROT_WRITE（可写）,PROT_EXEC（可执行）,PROT_NONE（不可访问）。
flags由以下几个常值指定：MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_FIXED。其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必选其一，而MAP_FIXED则不推荐使用。如果指定为MAP_SHARED，则对映射的内存所做的修改同样影响到文件。如果是MAP_PRIVATE，则对映射的内存所做的修改仅对该进程可见，对文件没有影响。
offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射。
参数addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，一般被指定一个空指针，此时选择起始地址的任务留给内核来完成。函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。

顺带介绍一下shm_open和shm_unlink两个函数：

shm_open()函数
功能：打开或创建一个共享内存区
头文件： #include <sys/mman.h>
函数原形： int shm_open(const char *name,int oflag,mode_t mode);
返回值：成功返回0，出错返回-1
参数：
name 共享内存区的名字
oflag 标志位
mode 权限位
参数解释：oflag参数必须含有O_RDONLY和O_RDWR标志，还可以指定如下标志：O_CREAT,O_EXCL或O_TRUNC.mode参数指定权限位，
它指定O_CREAT标志的前提下使用。shm_open的返回值是一个整数描述字，它随后用作mmap的第五个参数。

shm_unlink()函数
功能：删除一个共享内存区
头文件： #include <sys/mman.h>
函数原形： int shm_unlink(const char *name);
参数： name 共享内存区的名字
返回值：成功返回0，出错返回-1
shm_unlink函数删除一个共享内存区对象的名字，删除一个名字仅仅防止后续的open,mq_open或sem_open调用取得成功。

可以参考此文章的介绍来进一步了解mmap等函数：http://www.cnblogs.com/polestar/archive/2012/04/23/2466022.html

可以利用golang调用cgo的方法实现c中的mmap。实验分为读和写两个程序，这样我们可以观察到读进程可以读到写进程写入共享内存的信息。

shm_writer.go代码示例：

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 * 1000

type 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代码示例：

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 * 1000

type 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)
}

上面的程序映射了一块4G的虚拟内存，用来证明mmap没有实际占用4G内存，而是用到了虚拟内存。shm_writer创建好共享内存以后，往内存区域写入了一个结构体，shm_reader则读出一个结构体。

上面代码中还用到一个cgo的技巧，像shm_open和mmap函数在错误时会返回errno，如果我们在go中使用多返回值语法，cgo会自己把错误码转换成错误信息，很方便的功能。

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