共享内存在Java中的实现和应用
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涩女郎 发表于3年前
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摘要: 在java语言中,基本上没有提及共享内存这个概念,但是,在某一些应用中,共享内 存确实非常有用,例如采用java语言的分布式应用系统中,存在着大量的分布式共享对象, 很多时候需要查询这些对象的状态,以查看系统是否运行正常或者了解这些对象的目前的一 些统计数据和状态。如果采用网络通信的方式,显然会增加应用的额外负担,也增加了一些 不必要的应用编程。而如果采用共享内存的方式,则可以直接通过共享内存查看对象的状态 数据和统计数据,从而减少了一些不必要的麻烦。

共享内存对应应用开发的意义

对熟知UNIX系统应用开发的程序员来说,IPC(InterProcess Communication)机制是 非常熟悉的,IPC基本包括共享内存、信号灯操作、消息队列、信号处理等部分,是开发应 用中非常重要的必不可少的工具。其中共享内存IPC机制的关键,对于数据共享、系统快 速查询、动态配置、减少资源耗费等均有独到的优点。

对应UNIX系统来说,共享内存分为一般共享内存和映像文件共享内存两种,而对应 Windows,实际上只有映像文件共享内存一种。所以java应用中也是只能创建映像文件共享 内存。

在java语言中,基本上没有提及共享内存这个概念,但是,在某一些应用中,共享内 存确实非常有用,例如采用java语言的分布式应用系统中,存在着大量的分布式共享对象, 很多时候需要查询这些对象的状态,以查看系统是否运行正常或者了解这些对象的目前的一 些统计数据和状态。如果采用网络通信的方式,显然会增加应用的额外负担,也增加了一些 不必要的应用编程。而如果采用共享内存的方式,则可以直接通过共享内存查看对象的状态 数据和统计数据,从而减少了一些不必要的麻烦。

共享内存的使用有如下几个特点:

  1. 可以被多个进程打开访问;

  2. 读写操作的进程在执行读写操作时其他进程不能进行写操作;

  3. 多个进程可以交替对某一共享内存执行写操作;

  4. 一个进程执行了内存的写操作后,不影响其他进程对该内存的访问。同时其他进程对更新后的内存具有可见性。

  5. 在进程执行写操作时如果异常退出,对其他进程写操作禁止应自动解除。

  6. 相对共享文件,数据访问的方便性和效率有

另外,共享内存的使用上有如下情况:

  1. 独占的写操作,相应有独占的写操作等待队列。独占的写操作本身不会发生数据的一致性问题。

  2. 共享的写操作,相应有共享的写操作等待队列。共享的写操作则要注意防止发生数据的一致性问题。

  3. 独占的读操作,相应有共享的读操作等待队列;

  4. 共享的读操作,相应有共享的读操作等待队列。

一般情况下,我们只是关心第一二种情况。

共享内存在java中的实现

在jdk1.4中提供的类MappedByteBuffer为我们实现共享内存提供了较好的方法。该缓 冲区实际上是一个磁盘文件的内存映像。二者的变化将保持同步,即内存数据发生变化会立 刻反映到磁盘文件中,这样会有效的保证共享内存的实现。

将共享内存和磁盘文件建立联系的是文件通道类:FileChannel。该类的加入是JDK为 了统一对外部设备(文件、网络接口等)的访问方法,并且加强了多线程对同一文件进行存 取的安全性。例如读写操作统一成read和write。这里只是用它来建立共享内存用,它建立 了共享内存和磁盘文件之间的一个通道。

打开一个文件建立一个文件通道可以用RandomAccessFile类中的方法getChannel。该 方法将直接返回一个文件通道。该文件通道由于对应的文件设为随机存取文件,一方面可以 进行读写两种操作,另一方面使用它不会破坏映像文件的内容(如果用FileOutputStream直 接打开一个映像文件会将该文件的大小置为0,当然数据会全部丢失)。这里,如果用 FileOutputStream和FileInputStream则不能理想的实现共享内存的要求,因为这两个类同时 实现自由的读写操作要困难得多。

下面的代码实现了如上功能,它的作用类似UNIX系统中的mmap函数。

// 获得一个只读的随机存取文件对象 
RandomAccessFile RAFile = new RandomAccessFile(filename,"r");

// 获得相应的文件通道 
FileChannel fc = RAFile.getChannel();

// 取得文件的实际大小,以便映像到共享内存 
int size = (int)fc.size();

// 获得共享内存缓冲区,该共享内存只读 
MappedByteBuffer mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RO,0,size);

// 获得一个可读写的随机存取文件对象 
RAFile = new RandomAccessFile(filename,"rw");

// 获得相应的文件通道 
fc = RAFile.getChannel();

// 取得文件的实际大小,以便映像到共享内存 
size = (int)fc.size();

// 获得共享内存缓冲区,该共享内存可读写 
mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RW,0,size);

// 获取头部消息:存取权限 
mode = mapBuf.getInt();

如果多个应用映像同一文件名的共享内存,则意味着这多个应用共享了同一内存数据。 这些应用对于文件可以具有同等存取权限,一个应用对数据的刷新会更新到多个应用中。

为了防止多个应用同时对共享内存进行写操作,可以在该共享内存的头部信息加入写操 作标志。该共享内存的头部基本信息至少有:

   int Length; // 共享内存的长度。
    int mode;   // 该共享内存目前的存取模式。

共享内存的头部信息是类的私有信息,在多个应用可以对同一共享内存执行写操作时, 开始执行写操作和结束写操作时,需调用如下方法:

   public boolean StartWrite()
    {
        if(mode == 0) { //  标志为0,则表示可写
            mode = 1; // 置标志为1,意味着别的应用不可写该共享内存
            mapBuf.flip(); 
            mapBuf.putInt(mode); // 写如共享内存的头部信息
            return true;
        }
        else {
            return  false; // 指明已经有应用在写该共享内存,本应用不可写该共享内存
        }
    }
    
    public boolean StopWrite()
    {
        mode = 0; // 释放写权限
        mapBuf.flip(); 
        mapBuf.putInt(mode); // 写入共享内存头部信息
        return true;
    }

这里提供的类文件mmap.java封装了共享内存的基本接口,读者可以用该类扩展成自己需要的功能全面的类。

如果执行写操作的应用异常中止,那么映像文件的共享内存将不再能执行写操作。为了 在应用异常中止后,写操作禁止标志自动消除,必须让运行的应用获知退出的应用。在多线 程应用中,可以用同步方法获得这样的效果,但是在多进程中,同步是不起作用的。方法可 以采用的多种技巧,这里只是描述一可能的实现:采用文件锁的方式。写共享内存应用在获 得对一个共享内存写权限的时候,除了判断头部信息的写权限标志外,还要判断一个临时的 锁文件是否可以得到,如果可以得到,则即使头部信息的写权限标志为1(上述),也可以 启动写权限,其实这已经表明写权限获得的应用已经异常退出,这段代码如下:

// 打开一个临时的文件,注意同一共享内存,该文件名要相同,可以在共享文件名后加后缀“.lock”。
RandomAccessFile fis = new RandomAccessFile("shm.lock","rw");
// 获得文件通道
FileChannel lockfc = fis.getChannel();
// 获得文件的独占锁,该方法不产生堵塞,立刻返回
FileLock flock = lockfc.tryLock();
// 如果为空,则表明已经有应用占有该锁
if(flock == null) {
 ...// 不能执行写操作
}
else {
...// 可以执行写操作
}

该锁会在应用异常退出后自动释放,这正是该处所需要的方法。

共享内存在java中的应用

共享内存在java应用中,经常有如下两种种应用:

  1. 永久对象配置。

    在java服务器应用中,用户可能会在运行过程中配置一些参数,而这些参数需要永久 有效,当服务器应用重新启动后,这些配置参数仍然可以对应用起作用。这就可以用到该文 中的共享内存。该共享内存中保存了服务器的运行参数和一些对象运行特性。可以在应用启 动时读入以启用以前配置的参数。

  2. 查询共享数据。

    一个应用(例 sys.java)是系统的服务进程,其系统的运行状态记录在共享内存中,其 中运行状态可能是不断变化的。为了随时了解系统的运行状态,启动另一个应用(例 mon.java),该应用查询该共享内存,汇报系统的运行状态。

可见,共享内存在java应用中还是很有用的,只要组织好共享内存的数据结构,共享内存就可以在应用开发中发挥很不错的作用。


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涩女郎
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