Java 共享内存

共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC(Inter-Process Communication)形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。

采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，而共享内存则只拷贝两次数据:一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。实际上，进程之间在共享内存时，并不总是读写少量数据后就解除映射，有新的通信时，再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。

共享内存的使用有如下几个特点：

   1. 可以被多个进程打开访问；
   2. 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；
   3. 多个进程可以交替对某一共享内存执行写操作；
   4. 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。
   5. 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。
   6. 相对共享文件，数据访问的更方便更效率


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。

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，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。

评论

1 楼 zeng1990 2012-01-03  

请问如何用java的nio的通道实现发送和接收大于缓冲区的数据，并组装回原来的数据。试了很久，都没成功，百度上面也没有相关的文章。求赐教。