共享內存在Java中的實現和應用

2019-11-18 13:24:52

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　1 共享內存對應應用開發的意義
　　對熟知UNIX系統應用開發的程序員來說，ipC（InterPRocess Communication）機制是非常熟悉的，IPC基本包括共享內存、信號燈操作、消息隊列、信號處理等部分，是開發應用中非常重要的必不可少的工具。其中共享內存IPC機制的要害，對于數據共享、系統快速查詢、動態配置、減少資源耗費等均有獨到的優點。
　　
　　對應UNIX系統來說，共享內存分為一般共享內存和映像文件共享內存兩種，而對應 Windows，實際上只有映像文件共享內存一種。所以java應用中也是只能創建映像文件共享內存。
　　
　　在java語言中，基本上沒有提及共享內存這個概念，但是，在某一些應用中，共享內存確實非常有用，例如采用java語言的分布式應用系統中，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，以查看系統是否運行正?；蛘吡私膺@些對象的目前的一些統計數據和狀態。假如采用網絡通信的方式，顯然會增加應用的額外負擔，也增加了一些不必要的應用編程。而假如采用共享內存的方式，則可以直接通過共享內存查看對象的狀態數據和統計數據，從而減少了一些不必要的麻煩。
　　
　　共享內存的使用有如下幾個特點：
　　
　　可以被多個進程打開訪問；
　　讀寫操作的進程在執行讀寫操作時其他進程不能進行寫操作；
　　多個進程可以交替對某一共享內存執行寫操作；
　　一個進程執行了內存的寫操作后，不影響其他進程對該內存的訪問。同時其他進程對更新后的內存具有可見性。
　　在進程執行寫操作時假如異常退出，對其他進程寫操作禁止應自動解除。
　　相對共享文件，數據訪問的方便性和效率有
　　
　　
　　另外，共享內存的使用上有如下情況：
　　
　　獨占的寫操作，相應有獨占的寫操作等待隊列。獨占的寫操作本身不會發生數據的一致性問題。
　　共享的寫操作，相應有共享的寫操作等待隊列。共享的寫操作則要注重防止發生數據的一致性問題。
　　獨占的讀操作，相應有共享的讀操作等待隊列；
　　共享的讀操作，相應有共享的讀操作等待隊列。
　　
　　
　　一般情況下，我們只是關心第一二種情況。
　　
　　2 共享內存在java中的實現
　　在jdk1.4中提供的類MappedByteBuffer為我們實現共享內存提供了較好的方法。該緩沖區實際上是一個磁盤文件的內存映像。二者的變化將保持同步，即內存數據發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存的實現。
　　
　　將共享內存和磁盤文件建立聯系的是文件通道類：FileChannel。該類的加入是JDK為了統一對外部設備（文件、網絡接口等）的訪問方法，并且加強了多線程對同一文件進行存取的安全性。例如讀寫操作統一成read和write。這里只是用它來建立共享內存用，它建立了共享內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的文件設為隨機存取文件，一方面可以進行讀寫兩種操作，另一方面使用它不會破壞映像文件的內容（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，當然數據會全部丟失）。這里，假如用 FileOutputStream和FileInputStream則不能理想的實現共享內存的要求，因為這兩個類同時實現自由的讀寫操作要困難得多。
　　
　　下面的代碼實現了如上功能，它的作用類似UNIX系統中的mmap函數。
　　
　　// 獲得一個只讀的隨機存取文件對象
　　RandomAccessFile RAFile = new RandomAccessFile(filename,"r");
　　
　　// 獲得相應的文件通道
　　FileChannel fc = RAFile.getChannel();
　　
　　// 取得文件的實際大小，以便映像到共享內存
　　int size = (int)fc.size();
　　
　　// 獲得共享內存緩沖區，該共享內存只讀
　　MappedByteBuffer mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RO,0,size);
　　
　　// 獲得一個可讀寫的隨機存取文件對象
　　RAFile = new RandomAccessFile(filename,"rw");
　　
　　// 獲得相應的文件通道
　　fc = RAFile.getChannel();
　　
　　// 取得文件的實際大小，以便映像到共享內存
　　size = (int)fc.size();
　　
　　// 獲得共享內存緩沖區，該共享內存可讀寫
　　mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RW,0,size);
　　
　　// 獲取頭部消息：存取權限
　　mode = mapBuf.getInt();
　　
　　假如多個應用映像同一文件名的共享內存，則意味著這多個應用共享了同一內存數據。這些應用對于文件可以具有同等存取權限，一個應用對數據的刷新會更新到多個應用中。
　　
　　為了防止多個應用同時對共享內存進行寫操作，可以在該共享內存的頭部信息加入寫操作標志。該共享內存的頭部基本信息至少有：
　　
　　int Length； // 共享內存的長度。
　　int mode; // 該共享內存目前的存取模式。
　　
　　
　　
　　
　　
　　共享內存的頭部信息是類的私有信息，在多個應用可以對同一共享內存執行寫操作時，開始執行寫操作和結束寫操作時，需調用如下方法：
　　
　　public boolean StartWrite()
　　{
　　if(mode == 0) { // 標志為0，則表示可寫
　　mode = 1; // 置標志為1，意味著別的應用不可寫該共享內存
　　mapBuf.flip();
　　mapBuf.putInt(mode); // 寫如共享內存的頭部信息
　　return true;
　　}
　　else {
　　return false; // 指明已經有應用在寫該共享內存，本應用不可寫該共享內存
　　}
　　}
　　
　　public boolean StopWrite()
　　{
　　mode = 0; // 釋放寫權限
　　mapBuf.flip();
　　mapBuf.putInt(mode); // 寫入共享內存頭部信息
　　return true;
　　}
　　
　　
　　這里提供的類文件mmap.java封裝了共享內存的基本接口，讀者可以用該類擴展成自己需要的功能全面的類。
　　
　　
　　假如執行寫操作的應用異常中止，那么映像文件的共享內存將不再能執行寫操作。為了在應用異常中止后，寫操作禁止標志自動消除，必須讓運行的應用獲知退出的應用。在多線程應用中，可以用同步方法獲得這樣的效果，但是在多進程中，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現：采用文件鎖的方式。寫共享內存應用在獲得對一個共享內存寫權限的時候，除了判定頭部信息的寫權限標志外，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限標志為1（上述），也可以啟動寫權限，其實這已經表明寫權限獲得的應用已經異常退出，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();
　　// 獲得文件的獨占鎖，該方法不產生堵塞，馬上返回
　　FileLock flock = lockfc.tryLock();
　　// 假如為空，則表明已經有應用占有該鎖
　　if(flock == null) {
　　...// 不能執行寫操作
　　}
　　else {
　　...// 可以執行寫操作
　　}
　　
　　
　　
　　該鎖會在應用異常退出后自動釋放，這正是該處所需要的方法。
　　
　　
　　3 共享內存在java中的應用
　　共享內存在java應用中，經常有如下兩種種應用：
　　
　　永久對象配置。
　　在java服務器應用中，用戶可能會在運行過程中配置一些參數，而這些參數需要永久有效，當服務器應用重新啟動后，這些配置參數仍然可以對應用起作用。這就可以用到該文中的共享內存。該共享內存中保存了服務器的運行參數和一些對象運行特性?？梢栽趹脝訒r讀入以啟用以前配置的參數。
　　
　　查詢共享數據。
　　一個應用（例 sys.java）是系統的服務進程，其系統的運行狀態記錄在共享內存中，其中運行狀態可能是不斷變化的。為了隨時了解系統的運行狀態，啟動另一個應用（例 mon.java），該應用查詢該共享內存，匯報系統的運行狀態。
　　
　　可見，共享內存在java應用中還是很有用的，只要組織好共享內存的數據結構，共享內存就可以在應用開發中發揮很不錯的作用。

上一篇：判斷鼠標雙擊

下一篇：如何保護Java程序