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计算机程序的思维逻辑 (61) - 内存映射文件及其应用 - 实现一个简单的消息队列

本系列文章经补充和完善,已修订整理成书《Java编程的逻辑》(马俊昌著),由机械工业出版社华章分社出版,于2018年1月上市热销,读者好评如潮!各大网店和书店有售,欢迎购买:京东自营链接

本节介绍内存映射文件,内存映射文件不是Java引入的概念,而是操作系统提供的一种功能,大部分操作系统都支持。

我们先来介绍内存映射文件的基本概念,它是什么,能解决什么问题,然后我们介绍如何在Java中使用,我们会设计和实现一个简单的、持久化的、跨程序的消息队列来演示内存映射文件的应用。

基本概念

所谓内存映射文件,就是将文件映射到内存,文件对应于内存中的一个字节数组,对文件的操作变为对这个字节数组的操作,而字节数组的操作直接映射到文件上。这种映射可以是映射文件全部区域,也可以是只映射一部分区域。

不过,这种映射是操作系统提供的一种假象,文件一般不会马上加载到内存,操作系统只是记录下了这回事,当实际发生读写时,才会按需加载。操作系统一般是按页加载的,页可以理解为就是一块,页的大小与操作系统和硬件相关,典型的配置可能是4K, 8K等,当操作系统发现读写区域不在内存时,就会加载该区域对应的一个页到内存。

这种按需加载的方式,使得内存映射文件可以方便处理非常大的文件,内存放不下整个文件也不要紧,操作系统会自动进行处理,将需要的内容读到内存,将修改的内容保存到硬盘,将不再使用的内存释放。

在应用程序写的时候,它写的是内存中的字节数组,这个内容什么时候同步到文件上呢?这个时机是不确定的,由操作系统决定,不过,只要操作系统不崩溃,操作系统会保证同步到文件上,即使映射这个文件的应用程序已经退出了。

在一般的文件读写中,会有两次数据拷贝,一次是从硬盘拷贝到操作系统内核,另一次是从操作系统内核拷贝到用户态的应用程序。而在内存映射文件中,一般情况下,只有一次拷贝,且内存分配在操作系统内核,应用程序访问的就是操作系统的内核内存空间,这显然要比普通的读写效率更高

内存映射文件的另一个重要特点是,它可以被多个不同的应用程序共享,多个程序可以映射同一个文件,映射到同一块内存区域,一个程序对内存的修改,可以让其他程序也看到,这使得它特别适合用于不同应用程序之间的通信

操作系统自身在加载可执行文件的时候,一般都利用了内存映射文件,比如:

  • 按需加载代码,只有当前运行的代码在内存,其他暂时用不到的代码还在硬盘
  • 同时启动多次同一个可执行文件,文件代码在内存也只有一份
  • 不同应用程序共享的动态链接库代码在内存也只有一份

内存映射文件也有局限性,比如,它不太适合处理小文件,它是按页分配内存的,对于小文件,会浪费空间,另外,映射文件要消耗一定的操作系统资源,初始化比较慢。

简单总结下,对于一般的文件读写不需要使用内存映射文件,但如果处理的是大文件,要求极高的读写效率,比如数据库系统,或者需要在不同程序间进行共享和通信,那就可以考虑内存映射文件。

理解了内存映射文件的基本概念,接下来,我们看怎么在Java中使用它。

用法

映射文件

内存映射文件需要通过FileInputStream/FileOutputStream或RandomAccessFile,它们都有一个方法:

public FileChannel getChannel()
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FileChannel有如下方法:

public MappedByteBuffer map(MapMode mode, long position, long size) throws IOException
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map方法将当前文件映射到内存,映射的结果就是一个MappedByteBuffer对象,它代表内存中的字节数组,待会我们再来详细看它。map有三个参数,mode表示映射模式,positon表示映射的起始位置,size表示长度。

mode有三个取值:

  • MapMode.READ_ONLY:只读
  • MapMode.READ_WRITE:既读也写
  • MapMode.PRIVATE:私有模式,更改不反映到文件,也不被其他程序看到

这个模式受限于背后的流或RandomAccessFile,比如,对于FileInputStream,或者RandomAccessFile但打开模式是"r",那mode就不能设为MapMode.READ_WRITE,否则会抛出异常。

如果映射的区域超过了现有文件的范围,则文件会自动扩展,扩展出的区域字节内容为0。

映射完成后,文件就可以关闭了,后续对文件的读写可以通过MappedByteBuffer。

看段代码,比如以读写模式映射文件"abc.dat",代码可以为:

RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("abc.dat","rw");
try {
    MappedByteBuffer buf = file.getChannel().map(MapMode.READ_WRITE, 0, file.length());
    //使用buf...
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}finally{
    file.close();
}
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MappedByteBuffer

怎么来使用MappedByteBuffer呢?它是ByteBuffer的子类,而ByteBuffer是Buffer的子类。ByteBuffer和Buffer不只是给内存映射文件提供的,它们是Java NIO中操作数据的一种方式,用于很多地方,方法也比较多,我们只介绍一些主要相关的。

ByteBuffer可以简单理解为就是封装了一个字节数组,这个字节数组的长度是不可变的,在内存映射文件中,这个长度由map方法中的参数size决定。

ByteBuffer有一个基本属性position,表示当前读写位置,这个位置可以改变,相关方法是:

//获取当前读写位置
public final int position()
//修改当前读写位置
public final Buffer position(int newPosition)
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ByteBuffer中有很多基于当前位置读写数据的方法,如:

//从当前位置获取一个字节
public abstract byte get();
//从当前位置拷贝dst.length长度的字节到dst
public ByteBuffer get(byte[] dst)
//从当前位置读取一个int
public abstract int getInt();
//从当前位置读取一个double
public abstract double getDouble();
//将字节数组src写入当前位置
public final ByteBuffer put(byte[] src)
//将long类型的value写入当前位置
public abstract ByteBuffer putLong(long value);
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这些方法在读写后,都会自动增加position。

与这些方法相对应的,还有一组方法,可以在参数中直接指定position,比如:

//从index处读取一个int
public abstract int getInt(int index);
//从index处读取一个double
public abstract double getDouble(int index);
//在index处写入一个double
public abstract ByteBuffer putDouble(int index, double value);
//在index处写入一个long
public abstract ByteBuffer putLong(int index, long value);
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这些方法在读写时,不会改变当前读写位置position。

MappedByteBuffer自己还定义了一些方法:

//检查文件内容是否真实加载到了内存,这个值是一个参考值,不一定精确
public final boolean isLoaded()
//尽量将文件内容加载到内存
public final MappedByteBuffer load()
//将对内存的修改强制同步到硬盘上
public final MappedByteBuffer force()
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消息队列

了解了内存映射文件的用法,接下来,我们来看怎么用它设计和实现一个简单的消息队列,我们称之为BasicQueue

功能

BasicQueue是一个先进先出的循环队列,长度固定,接口主要是出队和入队,与之前介绍的容器类的区别是:

  • 消息持久化保存在文件中,重启程序消息不会丢失
  • 可以供不同的程序进行协作,典型场景是,有两个不同的程序,一个是生产者,另一个是消费者,生成者只将消息放入队列,而消费者只从队列中取消息,两个程序通过队列进行协作,这种协作方式更灵活,相互依赖性小,是一种常见的协作方式。

BasicQueue的构造方法是:

public BasicQueue(String path, String queueName) throws IOException
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path表示队列所在的目录,必须已存在,queueName表示队列名,BasicQueue会使用以queueName开头的两个文件来保存队列信息,一个后缀是.data,保存实际的消息,另一个后缀是.meta,保存元数据信息,如果这两个文件存在,则会使用已有的队列,否则会建立新队列。

BasicQueue主要提供两个方法,出队和入队,如下所示:

//入队
public void enqueue(byte[] data) throws IOException
//出队
public byte[] dequeue() throws IOException
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与上节介绍的BasicDB类似,消息格式也是byte数组。BasicQueue的队列长度是有限的,如果满了,调用enqueue会抛出异常,消息的最大长度也是有限的,不能超过1020,如果超了,也会抛出异常。如果队列为空,dequeue返回null。

用法示例

BasicQueue的典型用法是生产者和消费者之间的协作,我们来看下简单的示例代码。生产者程序向队列上放消息,每放一条,就随机休息一会儿,代码为:

public class Producer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        try {
            BasicQueue queue = new BasicQueue("./", "task");
            int i = 0;
            Random rnd = new Random();
            while (true) {
                String msg = new String("task " + (i++));
                queue.enqueue(msg.getBytes("UTF-8"));
                System.out.println("produce: " + msg);
                Thread.sleep(rnd.nextInt(1000));
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
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消费者程序从队列中取消息,如果队列为空,也随机睡一会儿,代码为:

public class Consumer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        try {
            BasicQueue queue = new BasicQueue("./", "task");
            Random rnd = new Random();
            while (true) {
                byte[] bytes = queue.dequeue();
                if (bytes == null) {
                    Thread.sleep(rnd.nextInt(1000));
                    continue;
                }
                System.out.println("consume: " + new String(bytes, "UTF-8"));
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
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假定这两个程序的当前目录一样,它们会使用同样的队列"task"。同时运行这两个程序,会看到它们的输出交替出现。

设计

我们采用如下简单方式来设计BasicQueue:

  • 使用两个文件来保存消息队列,一个为数据文件,后缀为.data,一个是元数据文件.meta。
  • 在.data文件中使用固定长度存储每条信息,长度为1024,前4个字节为实际长度,后面是实际内容,每条消息的最大长度不能超过1020。
  • 在.meta文件中保存队列头和尾,指向.data文件中的位置,初始都是0,入队增加尾,出队增加头,到结尾时,再从0开始,模拟循环队列。
  • 为了区分队列满和空的状态,始终留一个位置不保存数据,当队列头和尾一样的时候表示队列为空,当队列尾的下一个位置是队列头的时候表示队列满。

基本设计如下图所示:

为简化起见,我们暂不考虑由于并发访问等引起的一致性问题。

实现消息队列

下面来看BasicQueue的具体实现代码。

常量定义

BasicQueue中定义了如下常量,名称和含义如下:

// 队列最多消息个数,实际个数还会减1
private static final int MAX_MSG_NUM = 1020*1024;
// 消息体最大长度
private static final int MAX_MSG_BODY_SIZE = 1020;
// 每条消息占用的空间
private static final int MSG_SIZE = MAX_MSG_BODY_SIZE + 4;
// 队列消息体数据文件大小
private static final int DATA_FILE_SIZE = MAX_MSG_NUM * MSG_SIZE;
// 队列元数据文件大小 (head + tail)
private static final int META_SIZE = 8;
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内部组成

BasicQueue的内部成员主要就是两个MappedByteBuffer,分别表示数据和元数据:

private MappedByteBuffer dataBuf;
private MappedByteBuffer metaBuf; 
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构造方法

BasicQueue的构造方法代码是:

public BasicQueue(String path, String queueName) throws IOException {
    if (path.endsWith(File.separator)) {
        path += File.separator;
    }
    RandomAccessFile dataFile = null;
    RandomAccessFile metaFile = null;
    try {
        dataFile = new RandomAccessFile(path + queueName + ".data", "rw");
        metaFile = new RandomAccessFile(path + queueName + ".meta", "rw");

        dataBuf = dataFile.getChannel().map(MapMode.READ_WRITE, 0,
                DATA_FILE_SIZE);
        metaBuf = metaFile.getChannel().map(MapMode.READ_WRITE, 0,
                META_SIZE);
    } finally {
        if (dataFile != null) {
            dataFile.close();
        }
        if (metaFile != null) {
            metaFile.close();
        }
    }
}
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辅助方法

为了方便访问和修改队列头尾指针,我们有如下方法:

private int head() {
    return metaBuf.getInt(0);
}

private void head(int newHead) {
    metaBuf.putInt(0, newHead);
}

private int tail() {
    return metaBuf.getInt(4);
}

private void tail(int newTail) {
    metaBuf.putInt(4, newTail);
}
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为了便于判断队列是空还是满,我们有如下方法:

private boolean isEmpty(){
    return head() == tail();
}

private boolean isFull(){
    return ((tail() + MSG_SIZE) % DATA_FILE_SIZE) == head();
}
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入队

代码为:

public void enqueue(byte[] data) throws IOException {
    if (data.length > MAX_MSG_BODY_SIZE) {
        throw new IllegalArgumentException("msg size is " + data.length
                + ", while maximum allowed length is " + MAX_MSG_BODY_SIZE);
    }
    if (isFull()) {
        throw new IllegalStateException("queue is full");
    }
    int tail = tail();
    dataBuf.position(tail);
    dataBuf.putInt(data.length);
    dataBuf.put(data);

    if (tail + MSG_SIZE >= DATA_FILE_SIZE) {
        tail(0);
    } else {
        tail(tail + MSG_SIZE);
    }
}
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基本逻辑是:

  1. 如果消息太长或队列满,抛出异常。
  2. 找到队列尾,定位到队列尾,写消息长度,写实际数据。
  3. 更新队列尾指针,如果已到文件尾,再从头开始。

出队

代码为:

public byte[] dequeue() throws IOException {
    if (isEmpty()) {
        return null;
    }
    int head = head();
    dataBuf.position(head);
    int length = dataBuf.getInt();
    byte[] data = new byte[length];
    dataBuf.get(data);

    if (head + MSG_SIZE >= DATA_FILE_SIZE) {
        head(0);
    } else {
        head(head + MSG_SIZE);
    }
    return data;
}
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基本逻辑是:

  1. 如果队列为空,返回null。
  2. 找到队列头,定位到队列头,读消息长度,读实际数据。
  3. 更新队列头指针,如果已到文件尾,再从头开始。
  4. 最后返回实际数据

小结

本节介绍了内存映射文件的基本概念及在Java中的的用法,在日常普通的文件读写中,我们用到的比较少,但在一些系统程序中,它却是经常被用到的一把利器,可以高效的读写大文件,且能实现不同程序间的共享和通信。

利用内存映射文件,我们设计和实现了一个简单的消息队列,消息可以持久化,可以实现跨程序的生产者/消费者通信,我们演示了这个消息队列的功能、用法、设计和实现代码。

前面几节,我们多次提到过序列化的概念,它到底是什么呢?


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