共有された記憶

コンピュータ科学において、共有メモリとは、複数のプログラムが同時にアクセスできるメモリであり、プログラム間の通信を可能にしたり、冗長なコピーを回避したりすることを目的としています。共有メモリは、プログラム間でデータを効率的に受け渡す手段です。状況によっては、プログラムは単一のプロセッサ上で実行される場合もあれば、複数の独立したプロセッサ上で実行される場合もあります。

単一のプログラム内部、例えば複数のスレッド間での通信にメモリを使用することも、共有メモリと呼ばれます。

コンピュータハードウェアにおいて、共有メモリとは、マルチプロセッサコンピュータシステム内の複数の異なる中央処理装置（CPU）からアクセスできる、 （通常は大きな）ランダムアクセスメモリ（RAM）のブロックを指します。

共有メモリシステムでは、以下が使用される場合があります。^{[ 1 ]}

• 均一メモリアクセス（UMA）：すべてのプロセッサが物理メモリを均一に共有する。
• 非均一メモリアクセス（NUMA）：メモリへのアクセス時間は、プロセッサに対するメモリの位置によって異なる。
• キャッシュ専用メモリアーキテクチャ（COMA）：各ノードのプロセッサのローカルメモリは、実際のメインメモリとしてではなく、キャッシュとして使用されます。

共有メモリシステムは、すべてのプロセッサが単一のデータビューを共有し、プロセッサ間の通信速度が同じメモリ位置へのアクセス速度と同程度であるため、比較的簡単にプログラミングできます。共有メモリシステムの問題点は、多くのCPUがメモリへの高速アクセスを必要とし、メモリをキャッシュする可能性が高いことです。これには2つの複雑な問題があります。

• アクセス時間の劣化：複数のプロセッサが同じメモリ位置にアクセスしようとすると、競合が発生します。近くのメモリ位置にアクセスしようとすると、誤った共有が発生する可能性があります。共有メモリコンピュータは拡張性に乏しいです。ほとんどのコンピュータは10個以下のプロセッサしか搭載していません。
• データ整合性の欠如：あるキャッシュが他のプロセッサで使用される可能性のある情報で更新された場合、その変更は他のプロセッサにも反映される必要があります。そうしないと、異なるプロセッサ間で整合性のないデータが処理されることになります。このようなキャッシュ整合性プロトコルは、適切に機能すれば、複数のプロセッサ間で共有される情報への極めて高性能なアクセスを提供できます。一方で、過負荷状態になり、パフォーマンスのボトルネックとなる場合もあります。

クロスバースイッチ、オメガネットワーク、ハイパートランスポート、フロントサイドバスなどの技術を用いることで、ボトルネックの影響を軽減できる。

異種システムアーキテクチャ（ CPUやGPUなど、異なる種類のプロセッサを共有メモリで統合したプロセッサアーキテクチャ）の場合、 CPUのメモリ管理ユニット（MMU）とGPUの入出力メモリ管理ユニット（IOMMU）は、共通のアドレス空間など、特定の特性を共有する必要があります。

共有メモリの代替手段としては、分散メモリと分散共有メモリがあり、それぞれに同様の問題点がある。

コンピュータソフトウェアでは、共有メモリは

• プロセス間通信（IPC）の方法、つまり同時に実行されているプログラム間でデータを交換する方法。あるプロセスがRAM内に領域を作成し、他のプロセスがそこにアクセスできるようにする。
• 仮想メモリマッピングを使用するか、対象プログラムが明示的にサポートすることで、通常はデータのコピーとなる部分へのアクセスを単一のインスタンスに誘導し、メモリ領域を節約する方法。これは、共有ライブラリやインプレース実行（XIP）で最もよく用いられる。

両方のプロセスが通常の作業メモリのように共有メモリ領域にアクセスできるため、これは非常に高速な通信方法です（名前付きパイプ、Unixドメインソケット、CORBAなどの他のIPCメカニズムとは対照的です）。一方で、通信するプロセスが同じマシン上で実行されている必要がある（他のIPC方式では、インターネットドメインソケットのみがコンピュータネットワークを使用できますが、Unixドメインソケットは使用できません）、メモリを共有するプロセスが別々のCPU上で実行されていて、基盤となるアーキテクチャがキャッシュコヒーレンシを持たない場合に問題が発生しないように注意する必要があるなど、拡張性は劣ります。

共有メモリによるIPCは、例えばUnixシステム上でアプリケーションとXサーバー間で画像を転送する場合や、 WindowsのCOMライブラリでCoMarshalInterThreadInterfaceInStreamによって返されるIStreamオブジェクト内で使用されます。

動的ライブラリは通常、メモリ上に一度だけ保持され、複数のプロセスにマッピングされます。個々のプロセスに合わせてカスタマイズする必要のあるページ（シンボルの解決方法が異なるため）のみが複製されます。通常、コピーオンライトと呼ばれるメカニズムによって、書き込みが試行されたときにページが透過的にコピーされ、プライベートコピーへの書き込みが成功します。

複数のアドレス空間を持つオペレーティングシステムと比較して、メモリ共有、特に共有プロシージャやポインタベースの構造の共有は、単一アドレス空間のオペレーティングシステムの方が簡単です。^{[ 2 ]}

• 分散メモリ
• 分散共有メモリ
• 共有グラフィックスメモリ
• 異種システムアーキテクチャ
• グローバル変数
• ナノスレッド
• その場で実行する
• 共有レジスター
• 共有スナップショットオブジェクト
• フォン・ノイマン建築のボトルネック

• IPC:共有メモリ（デイブ・マーシャル著）
• 共有メモリ入門、リチャード・スティーブンス著『UNIXネットワークプログラミング 第2巻 第2版：プロセス間通信』第12章。
• SharedHashFile は、オープンソースの共有メモリハッシュテーブルです。