Общая память

В информатике , разделяемая память — это память к которой могут одновременно обращаться несколько программ с целью обеспечить связь между ними или избежать избыточных копий. Общая память — эффективное средство передачи данных между программами. В зависимости от контекста программы могут работать на одном процессоре или на нескольких отдельных процессорах.

Использование памяти для связи внутри одной программы, например, между ее несколькими потоками , также называется общей памятью.

В аппаратном обеспечении

В компьютерном оборудовании под общей памятью понимается (обычно большой) блок оперативной памяти (ОЗУ), к которому могут обращаться несколько различных центральных процессоров (ЦП) в многопроцессорной компьютерной системе .

Системы с общей памятью могут использовать: ^{[ 1 ]}

единый доступ к памяти (UMA): все процессоры равномерно используют физическую память;
неравномерный доступ к памяти (NUMA): время доступа к памяти зависит от расположения памяти относительно процессора;
архитектура кэш-памяти (COMA): локальная память процессоров на каждом узле используется как кэш, а не как основная память.

Систему с общей памятью относительно легко программировать, поскольку все процессоры совместно используют единое представление данных, а связь между процессорами может быть такой же быстрой, как и доступ к памяти в одном и том же месте. Проблема с системами с общей памятью заключается в том, что многим процессорам необходим быстрый доступ к памяти и, скорее всего, они будут кэшировать память , что имеет две сложности:

ухудшение времени доступа: когда несколько процессоров пытаются получить доступ к одной и той же ячейке памяти, это вызывает конфликт . Попытка доступа к близлежащим ячейкам памяти может привести к ложному совместному использованию . Компьютеры с общей памятью не могут хорошо масштабироваться. Большинство из них имеют десять или меньше процессоров;
отсутствие согласованности данных: всякий раз, когда один кэш обновляется информацией, которая может использоваться другими процессорами, это изменение должно быть отражено на других процессорах, в противном случае разные процессоры будут работать с некогерентными данными. Такие протоколы когерентности кэша , если они работают хорошо, могут обеспечить чрезвычайно высокопроизводительный доступ к общей информации между несколькими процессорами. С другой стороны, иногда они могут перегружаться и становиться узким местом производительности.

Такие технологии, как перекрестные коммутаторы , сети Omega , HyperTransport или внешняя шина, можно использовать для смягчения эффектов узких мест.

В случае гетерогенной системной архитектуры (архитектура процессора, которая объединяет различные типы процессоров, такие как ЦП и ГП , с общей памятью), блок управления памятью (MMU) ЦП и блок управления памятью ввода-вывода (IOMMU) графический процессор должен иметь общие характеристики, например общее адресное пространство.

Альтернативами общей памяти являются распределенная память и распределенная разделяемая память , каждая из которых имеет схожий набор проблем.

В программном обеспечении

В компьютерном программном обеспечении общая память либо

метод межпроцессного взаимодействия (IPC), т.е. способ обмена данными между программами, работающими одновременно. Один процесс создаст область в оперативной памяти , к которой смогут получить доступ другие процессы;
метод сохранения пространства памяти путем направления доступа к тому, что обычно было бы копиями фрагмента данных, к одному экземпляру, используя сопоставления виртуальной памяти или явную поддержку рассматриваемой программы. Чаще всего это используется для общих библиотек и выполнения на месте (XIP).

Поскольку оба процесса могут обращаться к области разделяемой памяти, как к обычной рабочей памяти, это очень быстрый способ связи (в отличие от других механизмов IPC, таких как именованные каналы , доменные сокеты Unix или CORBA ). С другой стороны, он менее масштабируем, поскольку, например, процессы связи должны выполняться на одной и той же машине (из других методов IPC только сокеты домена Интернета, а не сокеты домена Unix, могут использовать компьютерную сеть ), и необходимо соблюдать осторожность. Это делается во избежание проблем, если процессы, совместно использующие память, выполняются на отдельных процессорах, а базовая архитектура не является когерентной кеш-памятью .

IPC по общей памяти используется, например, для передачи изображений между приложением и X-сервером в системах Unix или внутри объекта IStream, возвращаемого CoMarshalInterThreadInterfaceInStream в COM-библиотеках под Windows .

Динамические библиотеки обычно хранятся в памяти один раз и сопоставляются с несколькими процессами, и дублируются только страницы, которые нужно было настроить для отдельного процесса (поскольку символ там разрешается по-другому), обычно с помощью механизма, известного как копирование при записи , который прозрачно копирует страницу при попытке записи, а затем разрешает успешную запись в частную копию.

По сравнению с операционными системами с несколькими адресными пространствами, совместное использование памяти - особенно процедур совместного использования или структур на основе указателей - проще в операционных системах с одним адресным пространством . ^{[ 2 ]}

Поддержка Unix-подобных систем

POSIX предоставляет стандартизированный API для использования общей памяти — POSIX Shared Memory . Здесь используется функция shm_open из sys/mman.h. ^{[ 3 ]} Межпроцессное взаимодействие POSIX (часть расширения POSIX:XSI) включает функции общей памяти. shmat, shmctl, shmdt и shmget. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Unix System V также предоставляет API для общей памяти. Для этого используется shmget из sys/shm.h. Системы BSD предоставляют «анонимную отображаемую память», которая может использоваться несколькими процессами.

Общая память, созданная shm_open является настойчивым. Он остается в системе до тех пор, пока не будет явно удален процессом. Недостаток этого подхода заключается в том, что если процесс выйдет из строя и не удастся очистить разделяемую память, он останется до завершения работы системы; это ограничение отсутствует в реализации для Android, получившей название ashmem. ^{[ 6 ]}

POSIX также предоставляет mmap API для отображения файлов в памяти; отображение может быть общим, что позволяет использовать содержимое файла в качестве общей памяти.

Дистрибутивы Linux, основанные на ядре 2.6 и более поздних версиях, предлагают /dev/shm в качестве общей памяти в виде RAM-диска , точнее, в виде общедоступного каталога (каталог, в котором каждый пользователь системы может создавать файлы), который хранится в памяти. Оба дистрибутива на основе RedHat и Debian включают его по умолчанию. Поддержка этого типа RAM-диска совершенно необязательна в файле конфигурации ядра . ^{[ 7 ]}

Поддержка в Windows

В Windows можно использовать CreateFileMapping и MapViewOfFile функции для отображения области файла в память в нескольких процессах. ^{[ 8 ]}

Кроссплатформенная поддержка

Некоторые библиотеки C++ предоставляют переносимый и объектно-ориентированный доступ к функциям общей памяти. Например, Boost содержит библиотеку Boost.Interprocess C++. ^{[ 9 ]} и Qt предоставляет класс QSharedMemory. ^{[ 10 ]}

Поддержка языков программирования

Для языков программирования с привязками POSIX (например, C/C++) области общей памяти можно создавать и получать к ним доступ путем вызова функций, предоставляемых операционной системой. Другие языки программирования могут иметь свои собственные способы использования этих операционных средств для достижения аналогичного эффекта. Например, PHP предоставляет API для создания общей памяти, аналогично функциям POSIX . ^{[ 11 ]}

См. также

Ссылки

^ Эль-Ревини, Хешам; Абд-эль-Барр, Мостафа (2005). Усовершенствованная компьютерная архитектура и параллельная обработка . Уайли-Интерсайенс. стр. 77–80. ISBN 978-0-471-46740-3 .
^ Джеффри С. Чейз; Генри М. Леви; Майкл Дж. Фили; и Эдвард Д. Лазовска. «Совместное использование и защита в операционной системе с единым адресным пространством» . два : 10.1145/195792.195795 1993. стр. 3
^ Документация shm_open из единой спецификации Unix.
^ Роббинс, Кей А.; Роббинс, Стивен (2003). Системное программирование Unix: связь, параллелизм и потоки (2-е изд.). Прентис Холл PTR. п. 512 . ISBN 978-0-13-042411-2 . Проверено 13 мая 2011 г. Межпроцессное взаимодействие POSIX (IPC) является частью расширения POSIX:XSI и берет свое начало в межпроцессном взаимодействии Unix System V.
^ Средство общей памяти из единой спецификации Unix.
^ «Функции ядра Android» . elinux.org . Проверено 12 декабря 2022 г.
^ Кристоф Роланд; Хью Дикинс; ЛОЖЬ Мотохиро. "tmpfs.txt " ядро.орг . Проверено 1 марта 2010 г.
^ Создание именованной общей памяти из MSDN.
^ Библиотека Boost.Interprocess C++
^ «Справочник по классу QSharedMemory» .
^ Функции общей памяти в PHP-API

Внешние ссылки

IPC:Общая память Дэйва Маршалла
Введение в общую память , гл. 12 из книги Ричарда Стивенса «Сетевое программирование UNIX, том 2, второе издание: межпроцессные коммуникации».
SharedHashFile — хеш-таблица в общей памяти с открытым исходным кодом.

[1] Эль-Ревини, Хешам; Абд-эль-Барр, Мостафа (2005). Усовершенствованная компьютерная архитектура и параллельная обработка . Уайли-Интерсайенс. стр. 77–80. ISBN 978-0-471-46740-3 .

[2] Джеффри С. Чейз; Генри М. Леви; Майкл Дж. Фили; и Эдвард Д. Лазовска. «Совместное использование и защита в операционной системе с единым адресным пространством» . два : 10.1145/195792.195795 1993. стр. 3

[3] Документация shm_open из единой спецификации Unix.

[4] Роббинс, Кей А.; Роббинс, Стивен (2003). Системное программирование Unix: связь, параллелизм и потоки (2-е изд.). Прентис Холл PTR. п. 512 . ISBN 978-0-13-042411-2 . Проверено 13 мая 2011 г. Межпроцессное взаимодействие POSIX (IPC) является частью расширения POSIX:XSI и берет свое начало в межпроцессном взаимодействии Unix System V.

[5] Средство общей памяти из единой спецификации Unix.

[6] «Функции ядра Android» . elinux.org . Проверено 12 декабря 2022 г.

[7] Кристоф Роланд; Хью Дикинс; ЛОЖЬ Мотохиро. "tmpfs.txt " ядро.орг . Проверено 1 марта 2010 г.

[8] Создание именованной общей памяти из MSDN.

[9] Библиотека Boost.Interprocess C++

[10] «Справочник по классу QSharedMemory» .

[11] Функции общей памяти в PHP-API

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

v т и Межпроцессное взаимодействие
данными Обмен между потоками в компьютерных программах
Методы	Файл Файл, отображаемый в памяти Передача сообщений Очередь сообщений и почтовый ящик Именованная труба Анонимная трубка Трубка Семафор Общая память Сигнал Розетки Сеть Юникс
Протоколы и стандарты	События Apple COM+ КОРБА D-шина ДДС ДЦЭ ЛЕД OpenBinder Солнце РПК POSIX (различные методы) МЫЛО ОТДЫХ Бережливость ТИПК XML-RPC
Библиотеки программного обеспечения и рамки	D-шина libevent простота ЛИНКС

v т и Параллельные вычисления
Общий	Распределенные вычисления Параллельные вычисления Массивная параллель Облачные вычисления Высокопроизводительные вычисления Многопроцессорность Многоядерный процессор ГПГПУ Компьютерная сеть Систолический массив
Уровни	Кусочек Инструкция Нить Задача Данные Память Петля Трубопровод
Многопоточность	Временной Одновременный (SMT) Одновременное и гетерогенное Спекулятивный (СпМТ) упреждающий Кооператив Кластерная многопоточная обработка (CMT) Аппаратный разведчик
Теория	Модель ПРАМ PEM-модели Анализ параллельных алгоритмов Закон Амдала Закон Густавсона Экономическая эффективность Метрика Карпа – Флатта Замедлять Ускорение
Элементы	Процесс Нить Волокно Окно инструкций Множество
Координация	Многопроцессорность Согласованность памяти Согласованность кэша Аннулирование кэша Барьер Синхронизация Контрольная точка приложения
Программирование	Потоковая обработка Программирование потоков данных Модели Неявный параллелизм Явный параллелизм Параллелизм Неблокирующий алгоритм
Аппаратное обеспечение	Таксономия Флинна СИСД SIMD Обработка массивов (SIMT) Конвейерная обработка Ассоциативная обработка МИСД МИМД Архитектура потока данных Конвейерный процессор Суперскалярный процессор Векторный процессор Мультипроцессор симметричный асимметричный Память общий распределенный распределенный общий ОДИН НУМА ЕСТЬ Массивно-параллельный компьютер Компьютерный кластер Кластер Беовульф Сетевой компьютер Аппаратное ускорение
API	Атеджи ПХ Способствовать росту Часовня HPX Очарование++ Том Коаррей Фортран ДРУГОЙ Дриада С++ AMP Глобальные массивы GPUОткрыть ИМБ OpenMP OpenCL OpenHMPP OpenACC Параллельные расширения НДС pthreads РафтЛиб РПЦм СКП TBB ЗПЛ
Проблемы	Автоматическое распараллеливание Тупик Детерминированный алгоритм Смущающе параллельно Параллельное замедление Состояние гонки Программная блокировка Масштабируемость Голод
Категория: Параллельные вычисления