共享内存在java中的实现

共享内存在Java中的实现和应用

出自：ibm 郭洪锋 2002年10月15日 23:07

共享内存在Java中的实现和应用 内容： 1 共享内存对应应用开发的意义 2 共享内存在java中的实现 3 共享内存在java中的应用 作者介绍 郭洪锋 (ghf_emai@china.com) 2001 年 9 月 1 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： 可以被多个进程打开访问； 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； 多个进程可以交替对某一共享内存执行写操作； 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。 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。 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： 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。 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。 独占的读操作，相应有共享的读操作等待队列； 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。 2 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。 3 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： 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。 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。 关于作者 郭洪锋，从事UNIX系统上的分布式应用系统开发，已有四年分布式应用系统开发经验。E-mail:ghf_email@china.com。