共享內(nèi)存在Java中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

2019-11-18 13:24:52

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供稿：網(wǎng)友

　　1 共享內(nèi)存對應(yīng)應(yīng)用開發(fā)的意義
　　對熟知UNIX系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的程序員來說，ipC（InterPRocess Communication）機(jī)制是非常熟悉的，IPC基本包括共享內(nèi)存、信號燈操作、消息隊列、信號處理等部分，是開發(fā)應(yīng)用中非常重要的必不可少的工具。其中共享內(nèi)存IPC機(jī)制的要害，對于數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)快速查詢、動態(tài)配置、減少資源耗費(fèi)等均有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　對應(yīng)UNIX系統(tǒng)來說，共享內(nèi)存分為一般共享內(nèi)存和映像文件共享內(nèi)存兩種，而對應(yīng) Windows，實(shí)際上只有映像文件共享內(nèi)存一種。所以java應(yīng)用中也是只能創(chuàng)建映像文件共享內(nèi)存。
　　
　　在java語言中，基本上沒有提及共享內(nèi)存這個概念，但是，在某一些應(yīng)用中，共享內(nèi)存確實(shí)非常有用，例如采用java語言的分布式應(yīng)用系統(tǒng)中，存在著大量的分布式共享對象，很多時候需要查詢這些對象的狀態(tài)，以查看系統(tǒng)是否運(yùn)行正常或者了解這些對象的目前的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)和狀態(tài)。假如采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式，顯然會增加應(yīng)用的額外負(fù)擔(dān)，也增加了一些不必要的應(yīng)用編程。而假如采用共享內(nèi)存的方式，則可以直接通過共享內(nèi)存查看對象的狀態(tài)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而減少了一些不必要的麻煩。
　　
　　共享內(nèi)存的使用有如下幾個特點(diǎn)：
　　
　　可以被多個進(jìn)程打開訪問；
　　讀寫操作的進(jìn)程在執(zhí)行讀寫操作時其他進(jìn)程不能進(jìn)行寫操作；
　　多個進(jìn)程可以交替對某一共享內(nèi)存執(zhí)行寫操作；
　　一個進(jìn)程執(zhí)行了內(nèi)存的寫操作后，不影響其他進(jìn)程對該內(nèi)存的訪問。同時其他進(jìn)程對更新后的內(nèi)存具有可見性。
　　在進(jìn)程執(zhí)行寫操作時假如異常退出，對其他進(jìn)程寫操作禁止應(yīng)自動解除。
　　相對共享文件，數(shù)據(jù)訪問的方便性和效率有
　　
　　
　　另外，共享內(nèi)存的使用上有如下情況：
　　
　　獨(dú)占的寫操作，相應(yīng)有獨(dú)占的寫操作等待隊列。獨(dú)占的寫操作本身不會發(fā)生數(shù)據(jù)的一致性問題。
　　共享的寫操作，相應(yīng)有共享的寫操作等待隊列。共享的寫操作則要注重防止發(fā)生數(shù)據(jù)的一致性問題。
　　獨(dú)占的讀操作，相應(yīng)有共享的讀操作等待隊列；
　　共享的讀操作，相應(yīng)有共享的讀操作等待隊列。
　　
　　
　　一般情況下，我們只是關(guān)心第一二種情況。
　　
　　2 共享內(nèi)存在java中的實(shí)現(xiàn)
　　在jdk1.4中提供的類MappedByteBuffer為我們實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存提供了較好的方法。該緩沖區(qū)實(shí)際上是一個磁盤文件的內(nèi)存映像。二者的變化將保持同步，即內(nèi)存數(shù)據(jù)發(fā)生變化會馬上反映到磁盤文件中，這樣會有效的保證共享內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)。
　　
　　將共享內(nèi)存和磁盤文件建立聯(lián)系的是文件通道類：FileChannel。該類的加入是JDK為了統(tǒng)一對外部設(shè)備（文件、網(wǎng)絡(luò)接口等）的訪問方法，并且加強(qiáng)了多線程對同一文件進(jìn)行存取的安全性。例如讀寫操作統(tǒng)一成read和write。這里只是用它來建立共享內(nèi)存用，它建立了共享內(nèi)存和磁盤文件之間的一個通道。
　　
　　打開一個文件建立一個文件通道可以用Random accessFile類中的方法getChannel。該方法將直接返回一個文件通道。該文件通道由于對應(yīng)的文件設(shè)為隨機(jī)存取文件，一方面可以進(jìn)行讀寫兩種操作，另一方面使用它不會破壞映像文件的內(nèi)容（假如用FileOutputStream直接打開一個映像文件會將該文件的大小置為0，當(dāng)然數(shù)據(jù)會全部丟失）。這里，假如用 FileOutputStream和FileInputStream則不能理想的實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的要求，因為這兩個類同時實(shí)現(xiàn)自由的讀寫操作要困難得多。
　　
　　下面的代碼實(shí)現(xiàn)了如上功能，它的作用類似UNIX系統(tǒng)中的mmap函數(shù)。
　　
　　// 獲得一個只讀的隨機(jī)存取文件對象
　　RandomAccessFile RAFile = new RandomAccessFile(filename,"r");
　　
　　// 獲得相應(yīng)的文件通道
　　FileChannel fc = RAFile.getChannel();
　　
　　// 取得文件的實(shí)際大小，以便映像到共享內(nèi)存
　　int size = (int)fc.size();
　　
　　// 獲得共享內(nèi)存緩沖區(qū)，該共享內(nèi)存只讀
　　MappedByteBuffer mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RO,0,size);
　　
　　// 獲得一個可讀寫的隨機(jī)存取文件對象
　　RAFile = new RandomAccessFile(filename,"rw");
　　
　　// 獲得相應(yīng)的文件通道
　　fc = RAFile.getChannel();
　　
　　// 取得文件的實(shí)際大小，以便映像到共享內(nèi)存
　　size = (int)fc.size();
　　
　　// 獲得共享內(nèi)存緩沖區(qū)，該共享內(nèi)存可讀寫
　　mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RW,0,size);
　　
　　// 獲取頭部消息：存取權(quán)限
　　mode = mapBuf.getInt();
　　
　　假如多個應(yīng)用映像同一文件名的共享內(nèi)存，則意味著這多個應(yīng)用共享了同一內(nèi)存數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用對于文件可以具有同等存取權(quán)限，一個應(yīng)用對數(shù)據(jù)的刷新會更新到多個應(yīng)用中。
　　
　　為了防止多個應(yīng)用同時對共享內(nèi)存進(jìn)行寫操作，可以在該共享內(nèi)存的頭部信息加入寫操作標(biāo)志。該共享內(nèi)存的頭部基本信息至少有：
　　
　　int Length； // 共享內(nèi)存的長度。
　　int mode; // 該共享內(nèi)存目前的存取模式。
　　
　　
　　
　　
　　
　　共享內(nèi)存的頭部信息是類的私有信息，在多個應(yīng)用可以對同一共享內(nèi)存執(zhí)行寫操作時，開始執(zhí)行寫操作和結(jié)束寫操作時，需調(diào)用如下方法：
　　
　　public boolean StartWrite()
　　{
　　if(mode == 0) { // 標(biāo)志為0，則表示可寫
　　mode = 1; // 置標(biāo)志為1，意味著別的應(yīng)用不可寫該共享內(nèi)存
　　mapBuf.flip();
　　mapBuf.putInt(mode); // 寫如共享內(nèi)存的頭部信息
　　return true;
　　}
　　else {
　　return false; // 指明已經(jīng)有應(yīng)用在寫該共享內(nèi)存，本應(yīng)用不可寫該共享內(nèi)存
　　}
　　}
　　
　　public boolean StopWrite()
　　{
　　mode = 0; // 釋放寫權(quán)限
　　mapBuf.flip();
　　mapBuf.putInt(mode); // 寫入共享內(nèi)存頭部信息
　　return true;
　　}
　　
　　
　　這里提供的類文件mmap.java封裝了共享內(nèi)存的基本接口，讀者可以用該類擴(kuò)展成自己需要的功能全面的類。
　　
　　
　　假如執(zhí)行寫操作的應(yīng)用異常中止，那么映像文件的共享內(nèi)存將不再能執(zhí)行寫操作。為了在應(yīng)用異常中止后，寫操作禁止標(biāo)志自動消除，必須讓運(yùn)行的應(yīng)用獲知退出的應(yīng)用。在多線程應(yīng)用中，可以用同步方法獲得這樣的效果，但是在多進(jìn)程中，同步是不起作用的。方法可以采用的多種技巧，這里只是描述一可能的實(shí)現(xiàn)：采用文件鎖的方式。寫共享內(nèi)存應(yīng)用在獲得對一個共享內(nèi)存寫權(quán)限的時候，除了判定頭部信息的寫權(quán)限標(biāo)志外，還要判定一個臨時的鎖文件是否可以得到，假如可以得到，則即使頭部信息的寫權(quán)限標(biāo)志為1（上述），也可以啟動寫權(quán)限，其實(shí)這已經(jīng)表明寫權(quán)限獲得的應(yīng)用已經(jīng)異常退出，這段代碼如下：
　　
　　// 打開一個臨時的文件，注重同一共享內(nèi)存，該文件名要相同，可以在共享文件名后加后綴“.lock”。
　　RandomAccessFile fis = new RandomAccessFile("shm.lock","rw");
　　// 獲得文件通道
　　FileChannel lockfc = fis.getChannel();
　　// 獲得文件的獨(dú)占鎖，該方法不產(chǎn)生堵塞，馬上返回
　　FileLock flock = lockfc.tryLock();
　　// 假如為空，則表明已經(jīng)有應(yīng)用占有該鎖
　　if(flock == null) {
　　...// 不能執(zhí)行寫操作
　　}
　　else {
　　...// 可以執(zhí)行寫操作
　　}
　　
　　
　　
　　該鎖會在應(yīng)用異常退出后自動釋放，這正是該處所需要的方法。
　　
　　
　　3 共享內(nèi)存在java中的應(yīng)用
　　共享內(nèi)存在java應(yīng)用中，經(jīng)常有如下兩種種應(yīng)用：
　　
　　永久對象配置。
　　在java服務(wù)器應(yīng)用中，用戶可能會在運(yùn)行過程中配置一些參數(shù)，而這些參數(shù)需要永久有效，當(dāng)服務(wù)器應(yīng)用重新啟動后，這些配置參數(shù)仍然可以對應(yīng)用起作用。這就可以用到該文中的共享內(nèi)存。該共享內(nèi)存中保存了服務(wù)器的運(yùn)行參數(shù)和一些對象運(yùn)行特性。可以在應(yīng)用啟動時讀入以啟用以前配置的參數(shù)。
　　
　　查詢共享數(shù)據(jù)。
　　一個應(yīng)用（例 sys.java）是系統(tǒng)的服務(wù)進(jìn)程，其系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)記錄在共享內(nèi)存中，其中運(yùn)行狀態(tài)可能是不斷變化的。為了隨時了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，啟動另一個應(yīng)用（例 mon.java），該應(yīng)用查詢該共享內(nèi)存，匯報系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
　　
　　可見，共享內(nèi)存在java應(yīng)用中還是很有用的，只要組織好共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，共享內(nèi)存就可以在應(yīng)用開發(fā)中發(fā)揮很不錯的作用。

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