共有きょうゆうメモリ

情報処理じょうほうしょりにおいて共有きょうゆうメモリ（きょうゆうメモリ）とは、複数ふくすうのプログラムが同時どうじ並行へいこう的てきにアクセスするメモリである。

概要がいよう

複数ふくすうのプログラム間あいだの通信つうしん手段しゅだんとして使つかう場合ばあいと、単たんに複製ふくせいを用意よういする冗長じょうちょうさを防ふせぐ目的もくてきの場合ばあいなどがある。共有きょうゆうメモリはプログラム間あいだでデータをやりとりする効率こうりつ的てき手段しゅだんである。文脈ぶんみゃくによって、それらプログラムが単一たんいつのプロセッサ上じょうで動作どうさする場合ばあいと複数ふくすうの異ことなるプロセッサ群ぐん上じょうで動作どうさする場合ばあいがある。単一たんいつのプログラムの内部ないぶでメモリを使つかって通信つうしんする場合ばあいもあり、例たとえばマルチスレッドが典型てんけい的てきだが、仮想かそう空間くうかんをもともと共有きょうゆうしている場合ばあいは「共有きょうゆうメモリ」とは呼よばない。

ハードウェアによる共有きょうゆうメモリ

コンピュータのハードウェアによる共有きょうゆうメモリは、マルチプロセッサシステムにおける複数ふくすうのCPUがアクセスできるRAMの（通常つうじょう）大おおきなブロックを意味いみする。

共有きょうゆうメモリシステムでは、全ぜんプロセッサがデータを共有きょうゆうしているためプログラミングが比較的ひかくてき容易よういで、同おなじメモリ位置いちへのアクセスによって高速こうそくなプロセッサ間あいだ通信つうしんが可能かのうである。問題もんだいは、CPUはなるべく高速こうそくなメモリアクセスを必要ひつようとするため、それぞれにキャッシュメモリを持もっていることが多おおい点てんである。そのため、以下いかの2つの問題もんだいが生しょうじる。

CPU-メモリ間あいだがボトルネックになりやすい。共有きょうゆうメモリ型がたコンピュータはあまりプロセッサ数すうを増ふやせない（CPUを増ふやしてもCPU数すうに比例ひれいして性能せいのうが強化きょうかされなくなる）。多おおくの場合ばあい、10個こかそれ以下いかのプロセッサ数すうである。
キャッシュコヒーレンシ問題もんだい。あるキャッシュ上じょうであるメモリ位置いちの情報じょうほうが更新こうしんされ、それを他たのプロセッサが必要ひつようとする場合ばあい、その更新こうしんを他たのプロセッサにも反映はんえいさせなければならない。さもないとそれぞれのプロセッサが一貫いっかんしていないデータを使つかって動作どうさすることになる。そのためのプロトコルをコヒーレンシプロトコルと呼よび、それがうまく機能きのうすれば複数ふくすうのプロセッサが高速こうそくに共有きょうゆうメモリ（上うえの情報じょうほう）にアクセスできるようになる。しかし一方いっぽうで、コヒーレンシプロトコルがオーバーヘッドとなり、性能せいのうのボトルネックになることもある。

ボトルネック問題もんだいを和やわらげる技術ぎじゅつとして、クロスバースイッチ、オメガネットワーク（英語えいご版ばん）、HyperTransport、CPUバスの分離ぶんり（フロントサイドバスとバックサイドバス、等ひとし）などがある。

共有きょうゆうメモリ以外いがいの方式ほうしきとして分散ぶんさんメモリ（英語えいご版ばん）や分散ぶんさん共有きょうゆうメモリがあるが、どちらにも似にたような問題もんだいがある。また、NUMAも参照さんしょう。

GPU内ないの共有きょうゆうメモリ

GPGPUに対応たいおうしたモダンなGPUは、GPUのスレッドブロック（ワークグループ、スレッドグループ）内ないでのみアクセス可能かのうな共有きょうゆうメモリ（ローカルメモリ、グループ共有きょうゆうメモリ）を有ゆうしている。この共有きょうゆうメモリは、VRAM上うえに確保かくほされるグローバルメモリと比くらべると小しょう容量ようりょうだが高速こうそくであり、アプリケーションコードから操作そうさ可能かのうなキャッシュメモリの役割やくわりを果はたす^[1]。CUDA、OpenCL、DirectComputeのようなAPIは、それぞれ名称めいしょうは異ことなるものの、このGPU共有きょうゆうメモリを利用りようする機能きのうを持もち、グローバルメモリから読よみ出だしたデータをGPUのスレッドブロック内ないで共有きょうゆうしたり、計算けいさん結果けっかを交換こうかんしたりする用途ようとに活用かつようすることで、高速こうそく化かを図はかることができる。

ソフトウェアによる共有きょうゆうメモリ

ソフトウェアにおける共有きょうゆうメモリは、以下いかのいずれかを意味いみする。

プロセス間あいだ通信つうしん (IPC) の技法ぎほうの一ひとつ。同時どうじに動作どうさしているプログラム間あいだでデータを交換こうかんする方法ほうほうである。1つのプロセスがメモリ上じょうに他たのプロセスからもアクセスできる領域りょういきを作成さくせいする。
通常つうじょう、アクセスする主体しゅたいごとにコピーを用意よういするようなデータがあるとき、仮想かそう記憶きおく機構きこうや何なんらかの明示めいじ的てきプログラム機構きこうを使つかってそれらが同おなじ実体じったい（物理ぶつりメモリ）をアクセスするようマッピングすること。共有きょうゆうライブラリやXIP (Execute in Place) でよく使つかわれる。
スレッド実装じっそうの一方いっぽう式しき

プロセス群ぐんは共有きょうゆうメモリ領域りょういきに通常つうじょうのメモリ領域りょういきと同おなじようにアクセスできるので、他たのプロセス間あいだ通信つうしん（名前なまえ付つきパイプ、ソケット、CORBAなど）と比較ひかくして通信つうしん手段しゅだんとしては非常ひじょうに高速こうそくである。しかし、プロセス群ぐんが同おなじマシン上じょうで動作どうさしなければならないという制約せいやくがあり（他たのIPC手段しゅだんはネットワーク上じょうでも機能きのうする）、プロセスが別々べつべつのCPU上じょうで動作どうさする場合ばあいはハードウェアによる共有きょうゆうメモリを使つかっていることになり、キャッシュコヒーレンシなどに注意ちゅういが必要ひつようとなる。プロセス間あいだの通信つうしんがFIFOなストリーム型かたの場合ばあいは、名前なまえ付つきパイプも通信つうしん手段しゅだんとして検討けんとうすべきである。一般いっぱんに共有きょうゆうメモリ自体じたいは保護ほご機能きのうをもたないので動作どうさは高速こうそくである。しかし共有きょうゆうされるメモリは不定ふていのタイミングで複数ふくすうのプロセスからアクセスされる可能かのう性せいがある。競合きょうごうを避さける為ためにはセマフォやロックなどで競合きょうごうを回避かいひしなければならない。

共有きょうゆうメモリによるIPCは、例たとえばUNIX上うえのXサーバとアプリケーションの間あいだで画像がぞうを転送てんそうする場合ばあいや、WindowsのCOMライブラリで CoMarshalInterThreadInterfaceInStream() 関数かんすうが返かえす IStream オブジェクトの内部ないぶで使つかわれている。一般いっぱん的てきに共有きょうゆうメモリが使つかわれるアプリケーションとしてOracleなどのデータベースがある。Unix版ばんOracleではSGAと呼よばれる共有きょうゆうメモリ空間くうかんにデータベースバッファキャッシュがおかれて複数ふくすうのプロセスからアクセスさせて性能せいのうの向上こうじょうを図はかっている。

動的どうてきライブラリは一度いちどメモリ上じょうに置おかれると、それが複数ふくすうのプロセスにマッピングされ、プロセスごとにカスタマイズされるページ群ぐん（シンボル解決かいけつに違ちがいが生しょうじる部分ぶぶん）だけが複製ふくせいされ、通常つうじょうコピーオンライトという機構きこうで、そのページに書かき込こもうとしたときにコピーが行おこなわれる。

UNIXでのサポート

POSIX には共有きょうゆうメモリの標準ひょうじゅん化かAPIとして POSIX Shared Memory がある。これは、sys/mman.h にある shm_open という関数かんすうを使つかう^[2]。POSIXのプロセス間あいだ通信つうしん（POSIX:XSI拡張かくちょうの一部いちぶ）には共有きょうゆうメモリ関数かんすうとして shmat、shmctl、shmdt が含ふくまれている^[3]^[4]。

shm_open で生成せいせいされた共有きょうゆうメモリは永続えいぞく的てきであり、プロセスが明示めいじ的てきに削除さくじょしない限かぎりシステム内ないに存在そんざいし続つづける。ただしこれには欠点けってんもあり、共有きょうゆうメモリを削除さくじょすべきプロセスがその前まえに異常いじょう終了しゅうりょうしたとき、その共有きょうゆうメモリがシステムのシャットダウンまで残存ざんそんし続つづけることになる。そのような問題もんだいを避さけるには、mmapを使つかって共有きょうゆうメモリを作成さくせいすればよい^[5]。2つの通信つうしんしあうプロセスが同おなじ名前なまえの一時いちじファイルをオープンし、それに対たいしてmmapすることでファイルをメモリにマッピングする。結果けっかとして、メモリマップされたファイル（メモリマップトファイル）への変更へんこうはもう一方いっぽうのプロセスからも同時どうじに観測かんそくできる。この技法ぎほうの利点りてんは、両方りょうほうのプロセスが終了しゅうりょうしたとき、OSが自動的じどうてきにファイルをクローズし、共有きょうゆうメモリを削除さくじょする点てんである。

Linuxカーネル 2.6 では、RAMディスク形式けいしきの共有きょうゆうメモリとして /dev/shm が導入どうにゅうされた。より正確せいかくに言いえば、誰だれでも書かき込こめるメモリ内ないのディレクトリであり、その容量ようりょうの上限じょうげんは /etc/default/tmpfs で指定していできる。/dev/shm 機能きのうサポートはカーネルの設定せっていファイルで指定していでき、デフォルトでは無効むこうとなっている。なお、RedHat や Debian ベースのディストリビューションではデフォルトで有効ゆうこうになっている。

Androidでのサポート

Android では Linux カーネルを使用しようしているが、IPC 関係かんけいが一部いちぶ無効むこうになっており、独自どくじに開発かいはつした（現在げんざいはLinuxカーネルに入はいっている）ashmem (anonymous shared memory) を使用しようしている。メモリが不足ふそくしたときにカーネルが解放かいほうする仕組しくみがあり、解放かいほうされないようにするには、ashmem_pin_region() を使つかい指定していする。

Windowsでのサポート

Microsoft Windowsでは、Win32 APIのCreateFileMapping()関数かんすうを使つかって共有きょうゆうメモリ（メモリマップトファイル）を作成さくせいすることができる^[6]。クライアント側がわプロセスはOpenFileMapping()関数かんすうを使つかって、ホスト側がわプロセスにて作成さくせい済ずみの共有きょうゆうメモリのハンドルを取得しゅとくすることができる。共有きょうゆうメモリを各かくプロセスのアドレス空間くうかんにマッピングするにはMapViewOfFile()関数かんすうを使つかう。

なおWindows APIには、CreateSharedMemory() ^[7]^[8]など “-SharedMemory” の名前なまえを持もつ関数かんすうがあるが、これはセキュリティ関連かんれんのAPIであり、メモリ共有きょうゆうのためのAPIではない。これをメモリ共有きょうゆうのために使用しようすれば、リソースを大量たいりょうに消費しょうひしシステムリソースを使つかい果はたす可能かのう性せいがある。

プログラミング言語げんごごとのサポート

一部いちぶのC++ライブラリは、共有きょうゆうメモリ機能きのうへの移植いしょく性せいの高たかいオブジェクト指向しこう的てきなアクセスを提供ていきょうしている。例たとえば、Boost C++ライブラリには Boost.Interprocess があり^[9]、POCO C++ Libraries には Poco::SharedMemory、Qt には QSharedMemory クラスがある^[10]。

PHP では POSIX で定義ていぎしている関数かんすう群ぐんとよく似にた共有きょうゆうメモリ用ようAPIが存在そんざいする^[11]。

.NET Frameworkはバージョン4でSystem.IO.MemoryMappedFiles.MemoryMappedFileクラス^[12]を標準ひょうじゅん化かした。.NET CoreあるいはXamarin (Mono) を通つうじて、Windows以外いがいの他ほかのプラットフォームでも利用りようできる。

脚注きゃくちゅう

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

^ CUDAプログラミングの基本きほん / パート II - カーネル | NVIDIA
^ Documentation of shm_open from the Single UNIX Specification
^ Robbins, Kay A.; Steven Robbins (2003). UNIX systems programming: communication, concurrency, and threads (2 ed.). Prentice Hall PTR. p. 512. ISBN 978-0-13-042411-2 2011年ねん5月がつ13日にち閲覧えつらん. "The POSIX interprocess communication (IPC) is part of the POSIX:XSI Extension and has its origin in UNIX System V interprocess communication."
^ Shared memory facility from the Single UNIX Specification.
^ Stevens, Richard (1999). UNIX Network Programming, Volume 2, Second Edition: Interprocess Communications. (2 ed.). Prentice Hall PTR. p. 311. ISBN 0-13-081081-9
^ Creating Named Shared Memory - Windows applications | Microsoft Docs
^ CreateSharedMemory function (Windows), Internet Archive
^ LSA_CREATE_SHARED_MEMORY (ntsecpkg.h) - Win32 apps | Microsoft Learn
^ Chapter 16. Boost.Interprocess - 1.80.0
^ QSharedMemory Class Reference
^ PHP 共有きょうゆうメモリ関数かんすう
^ MemoryMappedFile Class (System.IO.MemoryMappedFiles) | Microsoft Docs

学習がくしゅう参考さんこう書しょ

Julian Shun: "Shared-Memory Parallelism Can be Simple, Fast, and Scalable", ACM books, ISBN 978-1-97000-191-4, doi:10.1145/3018787 (2017).

外部がいぶリンク

shm_overview(7) – JM Project Linux Overview, Conventions and Miscellanea マニュアル
IPC:Shared Memory by Dave Marshall
Shared Memory Introduction, Ch. 12 from book by Richard Stevens "UNIX Network Programming, Volume 2, Second Edition: Interprocess Communications".

[1] CUDAプログラミングの基本きほん / パート II - カーネル | NVIDIA

[2] Documentation of shm_open from the Single UNIX Specification

[3] Robbins, Kay A.; Steven Robbins (2003). UNIX systems programming: communication, concurrency, and threads (2 ed.). Prentice Hall PTR. p. 512. ISBN 978-0-13-042411-2 2011年ねん5月がつ13日にち閲覧えつらん. "The POSIX interprocess communication (IPC) is part of the POSIX:XSI Extension and has its origin in UNIX System V interprocess communication."

[4] Shared memory facility from the Single UNIX Specification.

[5] Stevens, Richard (1999). UNIX Network Programming, Volume 2, Second Edition: Interprocess Communications. (2 ed.). Prentice Hall PTR. p. 311. ISBN 0-13-081081-9

[6] Creating Named Shared Memory - Windows applications | Microsoft Docs

[7] CreateSharedMemory function (Windows), Internet Archive

[8] LSA_CREATE_SHARED_MEMORY (ntsecpkg.h) - Win32 apps | Microsoft Learn

[9] Chapter 16. Boost.Interprocess - 1.80.0

[10] QSharedMemory Class Reference

[11] PHP 共有きょうゆうメモリ関数かんすう

[12] MemoryMappedFile Class (System.IO.MemoryMappedFiles) | Microsoft Docs

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表ひょう話はなし編へん歴れき並列へいれつ計算けいさん
総論そうろん	クラウドコンピューティンググリッド・コンピューティング高性能こうせいのう計算けいさんコンピュータ・クラスター分散ぶんさんコンピューティング
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ハードウェア	スーパーコンピュータスーパースカラーベクトル計算けいさん機きマルチプロセッシング対称たいしょう型がた非対称ひたいしょう型がたマルチコアメモリ NUMA en:COMA en:分散ぶんさん型がた共有きょうゆう型がた分散ぶんさん共有きょうゆう型がた SMT MPP Beowulf
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