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从头意识 Java 中的内存映射(Mmap)

发布日期:2022-06-18 17:09    点击次数:69

从头意识 Java 中的内存映射(Mmap)

mmap 基础见解

mmap 是一种内存映射文献的门径,行将一个文献映射到程度的地址空间,竣事文献磁盘地址和一段程度臆造地址的映射。竣事这样的映射关系后,程度就不错接管指针的样式读写操作这一段内存,而系统会自动回写脏页到对应的文献磁盘上,即完成了对文献的操作而不必再调用 read,write 等系统调用函数。相悖,内核空间对这段区域的修改也径直响应用户空间,从而不错竣事不同程度间的文献分享。

mmap责任旨趣

操作系统提供了这样一系列 mmap 的配套函数。

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); int munmap( void * addr, size_t len); int msync( void *addr, size_t len, int flags); 
Java 中的 mmap

Java 华夏生读写样式好像不错被分为三种:平方 IO,FileChannel(文献通道),mmap(内存映射)。远离他们也很简便,举例 FileWriter,FileReader 存在于 java.io 包中,他们属于平方 IO;FileChannel 存在于 java.nio 包中,亦然 Java 最常用的文献操作类;而今天的主角 mmap,则是由 FileChannel 调用 map 门径繁衍出来的一种特殊读写文献的样式,被称之为内存映射。

mmap 的使用样式:

FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(new File("db.data"), "rw").getChannel(); MappedByteBuffer mappedByteBuffer = fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, filechannel.size(); 

MappedByteBuffer 即是 Java 中的 mmap 操作类。

// 写 byte[] data = new byte[4]; int position = 8; // 从现时 mmap 指针的位置写入 4b 的数据 mappedByteBuffer.put(data); // 指定 position 写入 4b 的数据 MappedByteBuffer subBuffer = mappedByteBuffer.slice(); subBuffer.position(position); subBuffer.put(data);  // 读 byte[] data = new byte[4]; int position = 8; // 从现时 mmap 指针的位置读取 4b 的数据 mappedByteBuffer.get(data); // 指定 position 读取 4b 的数据 MappedByteBuffer subBuffer = mappedByteBuffer.slice(); subBuffer.position(position); subBuffer.get(data); 
mmap 不是银弹

促使我写这一篇著作的一大能源,来自于收齐集好多对于 mmap 诞妄的剖析。初识 mmap,好多著作提到 mmap 适用于解决大文献的场景,目下回绝顶看,其实这种见地是相配放荡的,但愿通过此文能够澄澈 mmap 原来的面庞。

FileChannel 与 mmap 同期存在,好像率阐扬两者都有其合适的使用场景,而事实也的确如斯。在看待二者时,不错将其看待成竣事文献 IO 的两种用具,用具自己莫得利弊,主要如故看使用场景。

mmap vs FileChannel

这一节,防护先容一下 FileChannel 和 mmap 在进行文献 IO 的一些异同点。

pageCache

FileChannel 和 mmap 的读写都经过 pageCache,或者更准确的说法是通过 vmstat 旁观到的 cache 这一部天职存,而非用户空间的内存。

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----  r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st  3  0      0 4622324  40736 351384    0    0     0     0 2503  200 50  1 50  0  0 

至于说 mmap 映射的这部天职存能不可称之为 pageCache,我并莫得去调研过,不外在操作系统看来,他们并莫得太多的区别,这部分 cache 都是内核在限定。后头本文也长入称 mmap 出来的内存为 pageCache。

缺页中断

对 Linux 文献 IO 有基础意识的读者,可能对缺页中断这个见解也不会太生分。mmap 和 FileChannel 都以缺页中断的样式,进行文献读写。

以 mmap 读取 1G 文献为例, fileChannel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, _GB); 进行映射是一个耗尽极少的操作,此时并不虞味着 1G 的文献被读进了 pageCache。只须通过以下样式,才智够确保文献被读进 pageCache。

FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel(); MappedByteBuffer map = fileChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, _GB); for (int i = 0; i < _GB; i += _4kb) {  temp += map.get(i); } 

对于内存对齐的细节在这里就不拓展了,不错详见 java.nio.MappedByteBuffer#load 门径,load 门径亦然通过按页拜访的样式触发中断

如下是 pageCache 迟缓增长的经由,野心约增长了 1.034G,阐扬文献内容此刻已沿路 load。

procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----  r  b   swpd   free   buff  cache   si   so    bi    bo   in   cs us sy id wa st  2  0      0 4824640   1056 207912    0    0     0     0 2374  195 50  0 50  0  0  2  1      0 4605300   2676 411892    0    0 205256     0 3481 1759 52  2 34 12  0  2  1      0 4432560   2676 584308    0    0 172032     0 2655  346 50  1 25 24  0  2  1      0 4255080   2684 761104    0    0 176400     0 2754  380 50  1 19 29  0  2  3      0 4086528   2688 929420    0    0 167940    40 2699  327 50  1 25 24  0  2  2      0 3909232   2692 1106300    0    0 176520     4 2810  377 50  1 23 26  0  2  2      0 3736432   2692 1278856    0    0 172172     0 2980  361 50  1 17 31  0  3  0      0 3722064   2840 1292776    0    0 14036     0 2757  392 50  1 29 21  0  2  0      0 3721784   2840 1292892    0    0   116     0 2621  283 50  1 50  0  0  2  0      0 3721996   2840 1292892    0    0     0     0 2478  237 50  0 50  0  0 

两个细节:

mmap 映射的经由不错领路为一个懒加载, 只须 get() 时才会触发缺页中断

预读大小是有操作系统算法决定的,不错默许算作 4kb,即若是但愿懒加载变成及时加载,需要按照 step=4kb 进行一次遍历

而 FileChannel 缺页中断的旨趣也与之换取,都需要借助 PageCache 做一层跳板, 免费看小12萝裸体视频国产完成文献的读写。

内存拷贝次数

好多言论认为 mmap 比拟 FileChannel 少一次复制,我个人合计如故需要远离场景。

举例需求是从文献首地址读取一个 int,两者所经过的链路其实是一致的:SSD -> pageCache -> 应用内存,mmap 并不会少拷贝一次。

但若是需求是真贵一个 100M 的复用 buffer,且波及到文献 IO,mmap 径直就不错当做是 100M 的 buffer 来用,而无须在程度的内存(用户空间)中再真贵一个 100M 的缓冲。

用户态与内核态

用户态和内核态

操作系统出于安全研讨,将一些底层的智商进行了封装,提供了系统调用(system call)给用户使用。这里就波及到“用户态”和“内核态”的切换问题,私认为这里亦然好多人见解领路迟滞的重灾地,我在此梳理下个人的剖析,如有诞妄也接待指正。

先看 FileChannel,底下两段代码,你认为谁更快?

// 门径一: 4kb 刷盘 FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel(); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(_4kb); for (int i = 0; i < _4kb; i++) {     byteBuffer.put((byte)0); } for (int i = 0; i < _GB; i += _4kb) {     byteBuffer.position(0);     byteBuffer.limit(_4kb);     fileChannel.write(byteBuffer); }  // 门径二: 单字节刷盘 FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel(); ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(1); byteBuffer.put((byte)0); for (int i = 0; i < _GB; i ++) {     byteBuffer.position(0);     byteBuffer.limit(1);     fileChannel.write(byteBuffer); } 

使用门径一:4kb 缓冲刷盘(成例操作),在我的测试机器上只需要 1.2s 就写罢了 1G。而不使用任何缓冲的门径二,险些是径直卡死,文献增长速率相配安靖,在恭候了 5 分钟还没写完后,中断了测试。

使用写入缓冲区是一个相配经典的优化手段,用户只需要建立 4kb 整数倍的写入缓冲区,团员一丝据的写入,就不错使得数据从 pageCache 刷盘时,尽可能是 4kb 的整数倍,幸免写入放大问题。但这不是这一节的重心,人人有莫得想过,pageCache 其实自己亦然一层缓冲,骨子写入 1byte 并不是同步刷盘的,格外于写入了内存,pageCache 刷盘由操作系统我方有筹备。那为什么门径二这样慢呢?主要就在于 filechannel 的 read/write 底层联系联的系统调用,jk制服白丝自慰无码自慰网站是需要切换内核态和用户态的,留神,这里跟内存拷贝莫得任何筹备,导致态切换的根蒂原因是 read/write 关联的系统调用自己。门径二比门径一多切换了 4096 倍,态的切换成为了瓶颈,导致耗时严重。

阶段归来一下重心,在 DRAM 中建立用户写入缓冲区这一滑为有两个兴味酷好:

便捷做 4kb 对齐,ssd 刷盘友好

减少用户态和内核态的切换次数,cpu 友好

但 mmap 不同,其底层提供的映射智商不波及到切换内核态和用户态,留神,这里跟内存拷贝如故莫得任何筹备,导致态不发生切换的根蒂原因是 mmap 关联的系统调用自己。考证这一丝,也相配容易,咱们使用 mmap 竣事门径二来望望速率若何:

FileChannel fileChannel = new RandomAccessFile(file, "rw").getChannel(); MappedByteBuffer map = fileChannel.map(MapMode.READ_WRITE, 0, _GB); for (int i = 0; i < _GB; i++) {   map.put((byte)0); } 

在我的测试机器上,破耗了 3s,它比 FileChannel + 4kb 缓冲写要慢,但远比 FileChannel 写单字节快。

这里也阐扬注解了我之前著作《文献 IO 操作的一些最好实施》中一个疑问:"一次写入很小量数据的场景使用 mmap 会比 fileChannel 快的多“,其背后的旨趣就和上述例子通常,在一丝据量下,瓶颈不在于 IO,而在于用户态和内核态的切换。

mmap 细节补充

copy on write 格局

咱们留神到 public abstract MappedByteBuffer map(MapMode mode,long position, long size) 的第一个参数,MapMode 其实有三个值,在收集冲浪的工夫,也险些莫得找到教师 MapMode 的著作。MapMode 有三个陈列值 READ_WRITE、READ_ONLY、PRIVATE,大无数工夫使用的可能是 READ_WRITE,而 READ_ONLY 不外是扫尾了 WRITE 辛勤,很容易领路,但这个 PRIVATE 身上似乎有一层精巧的面纱。

骨子上 PRIVATE 格局恰是 mmap 的 copy on write 格局,当使用 MapMode.PRIVATE 去映射文献时,你会赢得以下的特色:

其他任何样式对文献的修改,会径直响应在现时 mmap 映射中。

private mmap 之后自身的 put 行为,会触发复制,形成我方的副本,任何修改不会会刷到文献中,也不再感知该文献该页的改换。

俗称:copy on write。

这有什么用呢?重心就在于任何修改都不会回刷文献。其一,你不错赢得一个文献副本,若是你正巧有这个需求,径直不错使用 PRIVATE 格局去进行映射,其二,令人有点小开心的场景,你赢得了一块果然的 PageCache,无须牵挂它会被操作系统刷盘形成 overhead。假定你的机器建立如下:机器内存 9G,JVM 参数建立为 6G,堆外扫尾为 2G,那剩下的 1G 只可被内核态使用,若是想被用户态的设施期骗起来,就不错使用 mmap 的 copy on write 格局,这不会占用你的堆内内存或者堆外内存。

回收 mmap 内存

雠校之前博文对于 mmap 内存回收的一个诞妄说法,回收 mmap 很简便

((DirectBuffer) mmap).cleaner().clean(); 

mmap 的性射中简便不错分为:map(映射),get/load (缺页中断),clean(回收)。一个实用的手段是动态分派的内存映射区域,在读取事后,不错异步回收掉。

mmap 使用场景

使用 mmap 解决一丝据的赓续读写

若是 IO 相配赓续,数据却相配小,推选使用 mmap,以幸免 FileChannel 导致的切态问题。举例索引文献的追加写。

mmap 缓存

当使用 FileChannel 进行文献读写时,时常需要一块写入缓存以达到团员的指标,最常使用的是堆内/堆外内存,但他们都有一个问题,即当程度挂掉后,堆内/堆外内存会坐窝丢失,这一部分莫得落盘的数据也就丢了。而使用 mmap 作为缓存,会径直存储在 pageCache 中,不会导致数据丢失,尽管这只可藏匿程度被 kill 这种情况,无法例避掉电。

小文献的读写

恰恰和网传的好多言论相悖,mmap 由于其不切态的特色,特殊合乎礼貌读写,但由于 sun.nio.ch.FileChannelImpl#map(MapMode mode, long position, long size) 中 size 的扫尾,只可传递一个 int 值,是以,单次 map 单个文献的长度不可跳跃 2G,若是将 2G 作为文献大 or 小的阈值,那么小于 2G 的文献使用 mmap 来读写一般来说是有上风的。在 RocketMQ 中也期骗了这一丝,为了能够便捷的使用 mmap,将 commitLog 的大小按照 1G 来进行切分。对的,健忘说了,RocketMQ 等音问队伍一直在使用 mmap。

cpu 紧俏下的读写

在大无数场景下,FileChannel 和读写缓冲的组合比拟 mmap 要占据上风,或者说不分昆季,但在 cpu 紧俏下的读写,使用 mmap 进行读写时常能起到优化的成果,它的凭据是 mmap 不会出现用户态和内核态的切换,导致 cpu 的不胜重担(但这样承担起动态映射与异步回收内存的支拨)。

特殊软硬件身分

举例历久化内存 Pmem、不同代数的 SSD、不同主频的 CPU、不同核数的 CPU、不同的文献系统、文献系统的挂载样式...等等身分都会影响 mmap 和 filechannel read/write 的快慢,因为他们对应的系统调用是不同的。只须 benchmark 事后,方知快慢。

 



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