共有メモリとは

現代のコンピュータには多くのメモリが搭載されています。各 CPU にはキャッシュがあり、実行中の各プログラムにはシステム RAM の一部が割り当てられます。このメモリを使用して割り当てるには、さまざまな方法があります。共有メモリは、CPU キャッシュとシステム RAM の使用の両方にさまざまな方法で影響する概念です。

ハードウェアの共有メモリ

最近のほとんどの CPU には、L1、L2、および L3 と呼ばれる 3 つのキャッシュ層があります。L1 は最小で最速のキャッシュで、L3 は最大で最も低速のキャッシュです。ただし、それらはすべてメインメモリにアクセスするよりも高速であるため、パフォーマンスにとってヒット率が重要になります。多くの要因により、L1 キャッシュは L3 より高速になります。まず、L1 メモリセルは物理的に大きくなります。それらの数も少なく、多くの場合、CPU コアの近くに配置されています。

コアのダイ領域内にキャッシュブロックを配置すると、マルチコア CPU ではさらに複雑になります。この時点で、キャッシュを各コア内に配置するか、コアの外側に配置するか、具体的にはそれらの間に配置するかを選択できます。それぞれに利点と欠点があります。

コアにキャッシュを配置すると、アクセスレイテンシが最小限に抑えられますが、各コアにキャッシュが必要になることも意味します。これは、異なるコアの L1 キャッシュでキャッシュラインが重複し、キャッシュ領域の効率が低下する可能性があることを意味します。これはローカルキャッシュと呼ばれ、アクセス時間には優れていますが、キャッシュスペースの使用効率が低く、キャッシュの一貫性に関して余分なオーバーヘッドが必要になります。

共有キャッシュは、マルチコア CPU の複数またはすべてのコアで使用できるキャッシュです。共有キャッシュは、複数のコアが特定のデータの 1 つのインスタンスにアクセスできることを意味し、重複による無駄なスペースを制限します。また、1 つのコアが必要に応じてキャッシュスペースの公平なシェアを一時的に要求できる一方で、他のコアは要求しないことも意味します。アクセス時間の増加という代償が伴います。

実際の共有キャッシュ

最新の CPU は両方の概念を使用しており、各コアにはローカル L1 キャッシュがあります。L3 キャッシュは多くのコア間で共有される傾向がありますが、すべてではない場合もあります。L2 はさまざまですが、特定の CPU 世代のアーキテクチャに応じて、ローカルまたは共有にすることができます。

ヒント:ハイエンド AMD Ryzen モデルのようなチップレット CPU の場合、CPU 全体のすべてのコアではなく、チップレットのすべてのコア間でキャッシュが共有される場合があります。キャッシュが共有されるコアの数は関係ありません。たとえ 2 つだけであっても、それは依然として共有キャッシュですが、部分的にしか共有されていないことを強調する価値があります。

注:システム RAM は、1 つのマザーボード上の複数の物理 CPU 間、またはマルチ CPU システムのノード間で共有することもできます。

ソフトウェアの共有メモリ

最新のコンピューターでは、ソフトウェアは物理メモリを直接アドレス指定できません。代わりに、仮想アドレスセグメントが割り当てられ、コンピュータはこれらの仮想アドレスを必要に応じて物理アドレスに変換します。これは、個々のプロセスのメモリを分離するのに役立ち、セキュリティに役立ちます。

場合によっては、メモリ内のデータをあるプロセスから別のプロセスに転送することが望ましい場合があります。これを行う最も効率的な方法は、2 つのプロセスがメモリ空間を共有できるようにすることです。このようにして、両方のプロセスが同じデータを読み取り、相互に通信できます。これは、データが複製されないため、システム RAM を効率的に使用するのにも役立ちます。

通常、ソフトウェア共有メモリは、データの物理コピーを 1 つ保持し、アクセスが必要なプロセスごとに仮想メモリを介してそのコピーへのアクセスをマッピングすることによって実現されます。

結論

共有メモリは、複数のものからアクセスできるメモリの 1 つのセクションを持つという概念です。これは、ハードウェアとソフトウェアの両方で実装できます。CPU キャッシュは、複数のプロセッサコア間で共有できます。これは特に、CPU キャッシュの層が高い場合に当てはまります。システムメモリは、単一の大規模システム内のさまざまな物理 CPU 間で共有することもできます。

ソフトウェアでは、共有メモリによって IPC プロセス間通信が可能になります。1 つのプロセスは、1 つまたは複数の特定のプロセスと共有されるメモリを割り当てます。これらの他のプロセスは、仮想メモリマッピングを介してそのメモリロケーションにアクセスできます。共有メモリは、限られたスペースでのデータの重複を回避することで、メモリスペースを効率的に使用するのに役立ちます。