简要分析Java多进程编程的并发控制


进程间的通讯无非就是读写文件,socket通讯或者使用共享内存。
java没法管理内存,其实他也是靠创建映像文件来实现的。
 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。



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