หน่วยความจำที่ใช้ร่วมกัน
ในวิทยาการคอมพิวเตอร์หน่วยความจำร่วม (Shared Memory)คือหน่วยความจำ ที่ โปรแกรมหลายโปรแกรมสามารถเข้าถึงพร้อมกันได้โดยมีจุดประสงค์เพื่อการสื่อสารระหว่างกันหรือหลีกเลี่ยงการคัดลอกข้อมูลซ้ำซ้อน หน่วยความจำร่วมเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการส่งผ่านข้อมูลระหว่างโปรแกรม ขึ้นอยู่กับบริบท โปรแกรมอาจทำงานบนโปรเซสเซอร์เดียวหรือบนโปรเซสเซอร์แยกกันหลายตัว
การใช้หน่วยความจำเพื่อการสื่อสารภายในโปรแกรมเดียว เช่น ระหว่างเธรดหลายๆเธรดเรียกว่า หน่วยความจำร่วม (shared memory)
ในด้านฮาร์ดแวร์
ในฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์หน่วยความจำร่วม (shared memory ) หมายถึง บล็อก (โดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่) ของหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่ม (RAM) ที่สามารถเข้าถึงได้โดยหน่วยประมวลผลกลาง (CPU) หลายตัวใน ระบบคอมพิวเตอร์แบบ มัลติโปรเซสเซอร์
ระบบหน่วยความจำร่วมอาจใช้: [ 1 ]
- การเข้าถึงหน่วยความจำแบบสม่ำเสมอ (UMA): โปรเซสเซอร์ทั้งหมดใช้หน่วยความจำทางกายภาพร่วมกันอย่างเท่าเทียมกัน
- การเข้าถึงหน่วยความจำแบบไม่สม่ำเสมอ (NUMA): เวลาในการเข้าถึงหน่วยความจำขึ้นอยู่กับตำแหน่งของหน่วยความจำเมื่อเทียบกับโปรเซสเซอร์
- สถาปัตยกรรมหน่วยความจำแบบแคชอย่างเดียว (COMA): หน่วยความจำเฉพาะที่สำหรับโปรเซสเซอร์ในแต่ละโหนดจะถูกใช้เป็นแคชแทนที่จะเป็นหน่วยความจำหลักจริง ๆ
ระบบหน่วยความจำร่วมเขียนโปรแกรมได้ค่อนข้างง่าย เนื่องจากโปรเซสเซอร์ทั้งหมดใช้มุมมองข้อมูลเดียวกัน และการสื่อสารระหว่างโปรเซสเซอร์สามารถทำได้เร็วเท่ากับการเข้าถึงหน่วยความจำในตำแหน่งเดียวกัน ปัญหาของระบบหน่วยความจำร่วมคือ CPU หลายตัวต้องการเข้าถึงหน่วยความจำอย่างรวดเร็ว และมักจะใช้แคชหน่วยความจำซึ่งก่อให้เกิดปัญหาสองประการ:
- การลดลงของเวลาในการเข้าถึง: เมื่อโปรเซสเซอร์หลายตัวพยายามเข้าถึงตำแหน่งหน่วยความจำเดียวกัน จะทำให้เกิดการแย่งชิงทรัพยากรการพยายามเข้าถึงตำแหน่งหน่วยความจำที่อยู่ใกล้เคียงอาจทำให้เกิดการแบ่งปันที่ไม่ถูกต้องคอมพิวเตอร์ที่ใช้หน่วยความจำร่วมกันไม่สามารถขยายขนาดได้ดีนัก ส่วนใหญ่มีโปรเซสเซอร์สิบตัวหรือน้อยกว่านั้น
- การขาดความสอดคล้องของข้อมูล: เมื่อใดก็ตามที่แคชหนึ่งได้รับการอัปเดตด้วยข้อมูลที่อาจถูกใช้โดยโปรเซสเซอร์อื่น การเปลี่ยนแปลงนั้นจะต้องสะท้อนไปยังโปรเซสเซอร์อื่นๆ มิฉะนั้นโปรเซสเซอร์ต่างๆ จะทำงานกับข้อมูลที่ไม่สอดคล้องกัน โปรโตคอล ความสอดคล้องของแคช ดังกล่าว เมื่อทำงานได้ดี สามารถให้การเข้าถึงข้อมูลที่ใช้ร่วมกันระหว่างโปรเซสเซอร์หลายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงมาก ในทางกลับกัน บางครั้งอาจเกิดการโอเวอร์โหลดและกลายเป็นคอขวดต่อประสิทธิภาพได้
เทคโนโลยีต่างๆ เช่นสวิตช์ครอสบาร์ เครือข่ายโอเมก้าไฮเปอร์ทรานสปอร์ตหรือฟรอนท์ไซด์บัสสามารถนำมาใช้เพื่อลดผลกระทบจากปัญหาคอขวดได้
ในกรณีของสถาปัตยกรรมระบบแบบผสมผสาน (สถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์ที่รวมโปรเซสเซอร์ประเภทต่างๆ เช่นCPUและGPU เข้าด้วยกัน โดยใช้หน่วยความจำร่วมกัน) หน่วยจัดการหน่วยความจำ (MMU) ของ CPU และหน่วยจัดการหน่วยความจำอินพุต-เอาต์พุต (IOMMU) ของ GPU จะต้องมีลักษณะบางอย่างร่วมกัน เช่น พื้นที่แอดเดรสร่วมกัน
ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากหน่วยความจำร่วม (shared memory) ได้แก่หน่วยความจำแบบกระจาย (distributed memory)และหน่วยความจำแบบกระจายร่วม (distributed shared memory ) ซึ่งแต่ละแบบก็มีปัญหาคล้ายคลึงกัน
ในซอฟต์แวร์
ในซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์หน่วยความจำร่วม (shared memory)คืออย่างใดอย่างหนึ่ง
- วิธีการสื่อสารระหว่างกระบวนการ (IPC) กล่าวคือ วิธีการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างโปรแกรมที่ทำงานพร้อมกันกระบวนการ หนึ่ง จะสร้างพื้นที่ในRAMซึ่งกระบวนการอื่นสามารถเข้าถึงได้
- วิธีการประหยัดพื้นที่หน่วยความจำโดยการกำหนดทิศทางการเข้าถึงข้อมูลที่โดยปกติจะเป็นสำเนาของข้อมูลชิ้นหนึ่ง ไปยังอินสแตนซ์เดียวแทน โดยใช้ การแมปหน่วย ความจำเสมือนหรือการสนับสนุนอย่างชัดเจนจากโปรแกรมที่เกี่ยวข้อง วิธีนี้มักใช้กับไลบรารีที่ใช้ร่วมกันและสำหรับ การเรียกใช้งานแบบ XIP ( Execute in Place )
เนื่องจากทั้งสองกระบวนการสามารถเข้าถึงพื้นที่หน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันได้เหมือนกับหน่วยความจำใช้งานทั่วไป วิธีนี้จึงเป็นวิธีที่รวดเร็วมากในการสื่อสาร (เมื่อเทียบกับกลไก IPC อื่นๆ เช่นnamed pipes , Unix domain socketsหรือCORBA ) ในทางกลับกัน วิธีนี้มีความสามารถในการขยายขนาดได้น้อยกว่า ตัวอย่างเช่น กระบวนการที่สื่อสารกันจะต้องทำงานอยู่บนเครื่องเดียวกัน (ในบรรดาวิธี IPC อื่นๆ มีเพียง Internet domain sockets เท่านั้นที่สามารถใช้ เครือข่ายคอมพิวเตอร์ได้ ไม่ใช่ Unix domain sockets ) และต้องระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาหากกระบวนการที่ใช้หน่วยความจำร่วมกันทำงานอยู่บน CPU ที่แยกจากกัน และสถาปัตยกรรมพื้นฐานไม่ได้ มีความสอดคล้องกัน ของแคช
การสื่อสารระหว่างกระบวนการ (IPC) โดยใช้หน่วยความจำร่วมกันนั้น ใช้เพื่อถ่ายโอนภาพระหว่างแอปพลิเคชันและเซิร์ฟเวอร์ Xบนระบบ Unix หรือภายในอ็อบเจ็กต์ IStream ที่ส่งคืนโดย CoMarshalInterThreadInterfaceInStream ในไลบรารี COM ภายใต้Windowsเป็นต้น
โดยทั่วไปแล้ว ไลบรารีแบบไดนามิกจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำเพียงครั้งเดียวและแมปไปยังหลายกระบวนการ และเฉพาะหน้าหน่วยความจำที่ต้องปรับแต่งสำหรับแต่ละกระบวนการ (เนื่องจากสัญลักษณ์มีการตีความแตกต่างกันในกระบวนการนั้น) เท่านั้นที่จะถูกทำซ้ำ โดยปกติจะใช้กลไกที่เรียกว่าcopy-on-writeซึ่งจะคัดลอกหน้าหน่วยความจำอย่างโปร่งใสเมื่อมีการพยายามเขียน และจากนั้นจะอนุญาตให้การเขียนสำเร็จบนสำเนาส่วนตัว
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบปฏิบัติการที่มีพื้นที่แอดเดรสหลายแห่ง การแบ่งปันหน่วยความจำ โดยเฉพาะการแบ่งปันขั้นตอนหรือโครงสร้างที่ใช้ตัวชี้ จะง่ายกว่าในระบบปฏิบัติการที่มีพื้นที่แอดเดรสเดียว[ 2 ]
รองรับระบบที่คล้าย Unix
POSIXมีAPI มาตรฐาน สำหรับการใช้หน่วยความจำร่วมกันPOSIX Shared Memoryซึ่งใช้ฟังก์ชันshm_openจาก sys/mman.h [ 3 ]การสื่อสารระหว่างกระบวนการของ POSIX (ส่วนหนึ่งของส่วนขยาย POSIX:XSI) ประกอบด้วยฟังก์ชันหน่วยความจำร่วมกันshmat, shmctl, shmdtและ[ 4 ] [ 5 ]shmget ระบบ Unix System V ก็มี API สำหรับหน่วยความจำร่วมกันเช่นกัน ซึ่งใช้ shmget จาก sys/shm.h ระบบ BSD มี "หน่วยความจำที่แมปแบบไม่ระบุชื่อ" ซึ่งสามารถใช้งาน ได้โดยหลายกระบวนการ
หน่วยความจำร่วมที่สร้างขึ้นโดยนั้นshm_openมีความคงทน มันจะอยู่ในระบบจนกว่าจะถูกลบออกโดยกระบวนการอย่างชัดเจน ซึ่งมีข้อเสียคือ หากกระบวนการล้มเหลวและไม่สามารถล้างหน่วยความจำร่วมได้ หน่วยความจำนั้นจะยังคงอยู่จนกว่าระบบจะปิดตัวลง ข้อจำกัดนี้ไม่มีอยู่ในการใช้งานเฉพาะของ Android ที่เรียกashmemว่า[ 6 ]
นอกจากนี้ POSIX ยังมีmmapAPI สำหรับการแมปไฟล์เข้าสู่หน่วยความจำ การแมปนั้นสามารถใช้ร่วมกันได้ ทำให้สามารถใช้เนื้อหาของไฟล์เป็นหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันได้
ระบบปฏิบัติการ Linux ที่ใช้เคอร์เนลเวอร์ชัน 2.6 ขึ้นไปมี /dev/shm เป็นหน่วยความจำร่วมในรูปแบบของดิสก์ RAMโดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นไดเร็กทอรีที่ทุกคนสามารถเขียนได้ (ไดเร็กทอรีที่ผู้ใช้ทุกคนในระบบสามารถสร้างไฟล์ได้) ซึ่งจัดเก็บไว้ในหน่วยความจำ ทั้ง ระบบปฏิบัติการ RedHatและDebian ต่าง ก็มีให้ใช้งานโดยค่าเริ่มต้น การสนับสนุนดิสก์ RAM ประเภทนี้เป็นทางเลือกเสริมในไฟล์การกำหนดค่าเคอร์เนล[ 7 ]
รองรับบน Windows
บน Windows สามารถใช้CreateFileMappingฟังก์ชันMapViewOfFileเพื่อแมปพื้นที่ของไฟล์ลงในหน่วยความจำในกระบวนการหลายกระบวนการได้[ 8 ]
รองรับหลายแพลตฟอร์ม
ไลบรารี C++ บางส่วนให้การเข้าถึงฟังก์ชันหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันแบบพกพาและเชิงวัตถุ ตัวอย่างเช่นBoostมีไลบรารี Boost.Interprocess C++ [ 9 ]และQtมีคลาส QSharedMemory [ 10 ]
การสนับสนุนภาษาโปรแกรม
สำหรับภาษาโปรแกรมที่มีการผูก POSIX (เช่น C/C++) สามารถสร้างและเข้าถึงพื้นที่หน่วยความจำที่ใช้ร่วมกันได้โดยการเรียกใช้ฟังก์ชันที่ระบบปฏิบัติการจัดเตรียมไว้ให้ ภาษาโปรแกรมอื่นๆ อาจมีวิธีการใช้สิ่งอำนวยความสะดวกของระบบปฏิบัติการเหล่านี้ในลักษณะเดียวกัน ตัวอย่างเช่นPHPมีAPIสำหรับสร้างหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกัน ซึ่งคล้ายกับฟังก์ชันPOSIX [ 11 ]
ดูเพิ่มเติม
ลิงก์ภายนอก
- IPC: ความทรงจำร่วมกันโดย เดฟ มาร์แชลล์
- บทนำเกี่ยวกับหน่วยความจำร่วมบทที่ 12 จากหนังสือของริชาร์ด สตีเวนส์ เรื่อง "การเขียนโปรแกรมเครือข่าย UNIX เล่ม 2 ฉบับที่สอง: การสื่อสารระหว่างกระบวนการ"
- SharedHashFileคือตารางแฮชแบบโอเพนซอร์สที่ใช้หน่วยความจำร่วมกัน