共享内存在Java中的实现和应用

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基于Java平台共享内存的实现与应用
(张华杰 郑州广播电视大学 河南 郑州 450007 )
【摘要】

在java 开发环境中,没有涉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。在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,如果采用网络通信的方式,会增加应用的额外负担;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,减少了一些不
必要的麻烦。

【关键字】
:共享内存、java

一、 共享内存对应用开发的意义

IPC(InterProcess Communication)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。

二、 共享内存在java中的实现
在jdk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。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。
一下过程实现了如这种功能;
RandomAccessFile RAFile = new RandomAccessFile(filename,"r");// 获得一个只读的随机
存取文件对象
FileChannel fc = RAFile.getChannel();// 获得相应的文件通道
int size = (int)fc.size();// 取得文件的实际大小,以便映像到共享内存
MappedByteBuffer mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RO,0,size); // 获得共享内存缓冲
区,该共享内存只读
RAFile = new RandomAccessFile(filename,"rw");// 获得一个可读写的随机存取文件对象
fc = RAFile.getChannel();// 获得相应的文件通道
size = (int)fc.size();// 取得文件的实际大小,以便映像到共享内存
mapBuf = fc.map(FileChannel.MAP_RW,0,size); // 获得共享内存缓冲区,该共享内存可读

mode = mapBuf.getInt();// 获取头部消息:存取权限
如果多个应用映像同一文件名的共享内存,则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。

三、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。

四、【参考文献】
[1]、(英)马修,(英)斯通斯 著,陈健 等译: 《Linux程序设计》 人民邮电出版社 2007
[2]、埃克尔(Eckel.B):《Thinking in Java》 机械工业出版社 1999
[3]、孙卫琴 编著 : 《JAVA面向对象编程》电子工业出版社 2006.7
[4]、汤小丹 等编著:《计算机操作系统》西安电子科技大学出版社 2007.5