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LSM技术手册


1. 概述

LSM,全称为Lightweight Shared Memory Communications and Marshalling,也即是一个轻量级的共享内存通信库,为了解决大规模数据在几个进程节点间交换的效率问题而提出的。

有别于一般的跨进程使用UDP或TCP方式,LSM直接将数据存放在一段共享内存处,其他接收方仅需要直接从该段内存读取即可。

目前LSM通过Boost.Interprocess实现,为了解决其存在的主从关系,LSM实现分成两部分:服务端与客户端。服务端,也可以认为是驱动,维护着所有内存的创建、销毁,以及客户端的连入、断开;客户端,也即应用程序,通过简单的使用接口,连入驱动管理,发起信道建立、断开等请求,进行数据交换。

LSM驱动部分是一个可执行程序,可随系统启动而启动;LSM客户端是一个开发库,可由应用程序开发者链接使用。

2. 系统设计

LSM运作时整体结构如下图所示:

system overview

其中,黑色无箭头实线代表着 连接(Connection),黑色有箭头实线代表着 竞争读写接口(Race IO),虚线圆圈代表着 逻辑内存区域(Logical Memory Block),虚线圆圈中的每个图形都代表着内存区域(Memory Block)

可以看到,LSM系统中一共存在三个逻辑内存区域:公共区域(Public Area)私有区域(Private Area)和 交换区域(Swap Area)。这三个区域分别代表了LSM运作的三个过程,其中在公共区域执行着新客户端连入驱动管理的步骤,只有该步骤是没有上锁的,称之为竞争进入。在私有区域内执行着客户端与驱动端的事件互动,如接入信道、断开连接等;在交换区域则执行着真正的数据交换。在后两者驱动有一个叫keepalive的机制,用以无人问津某个内存区域时,将其回收。

下面将详细介绍这三个逻辑区域的工作原理。

3. 竞争进入

LSM作为一个C/S模型的系统,在驱动端总会有一个公共的接入入口,这就是公共区域。与其他数据交换不同,客户端接入驱动管理交换的数据量小,操作相对原子,又比较高速,牵连的客户端数量最多,因此不便于使用同步的方法。而且如果同步过程中,获得资源的客户端异常退出,将会导致所有准备进入的客户端一起超时等待。为了解决这个问题,我设计了一个称之为**竞争进入(Race In)**的机制,在不使用锁的情况下,将客户端一一接入到驱动管理中来。

竞争进入的核心在于不断尝试,其分为三个阶段:

  • **抢注阶段(Cybersquatting)**所有客户端异步地通知驱动,自己想要连接进来(多写一读);
  • **准入阶段(Admittance)**某个时刻下,驱动阅读了通知,其中一个客户端的写入被承认,驱动将该客户端的信息填写在另一个字段处,此时所有客户端也同时在异步阅读该字段(一写多读);
  • **确认阶段(Acknowledge)**由于客户端的信息是全局唯一的,因此只有一个经历了抢注阶段的客户端被准入,其再次反馈相同的信息给驱动,驱动阅读后,若该信息与准入信息相同,则完成确认,同时为该客户端建立私有区域。(一写一读)

该步骤的流程如下图所示:

race in

在该步骤中,最为关键的部分是,如何为客户端分配唯一的X。不难想象到,每一个应用程序而言,可以以PID作为其唯一标识,而在一个程序内,每一个客户端实例可以由客户端的一个全局静态计数器再进行区分。总而言之,全局唯一的条件是可以达到的。

4. 连接管道

在介绍LSM的管理机制之前,需要先介绍一下LSM通过共享内存区域进行数据交换的基本原理。

使用Boost.Interprocess创建的共享内存区域,理论上任何进程都是可以访问到的,因此为了防止别名现象,驱动端启动时要求带一个名字,用以该驱动以及其客户端创建共享内存区域时的公共前缀,而另外三个逻辑区域,又分别再加带三个不同的前缀。考虑到扩展性,驱动端启动时的名字和客户端构造时的名字都是可以自定义的。

刚才也提到了,共享内存只要知其名,谁都可以访问到,而其内容是否正确,则只能由各个客户端各自进行判断。因此与其说这是一种连接,我更想说它是一个管道,谁都可以从其中读写东西。因此事实上,LSM虽然已经采取各种方法使得每一对C/S之间,或者数据交换关系中的内存区域名字不同,但是若碰巧有相同名字的连接产生,也不会破坏LSM内在的管理逻辑。

这个特性并不是被设计出来的,而是它本来就有,当我在做一些测试的时候才发现这么一种现象。幸运的是,它不会破坏LSM的逻辑,相反,这个特性也提供了某种潜在的使用方式,待我们后期慢慢开发。

5. 管理机制

目前LSM的管理机制相对简单,报文只有简单几种:连接进入(Link In)连接退出(Link Out)测活(Ping)断开驱动管理(Goodbye)、**确认(ACK)**等,但对于目前我的需求却也已经够用。考虑到扩展性,代码中都预留相关接口可以二次开发,若之后有需要再丰富LSM的协议。

以上所说的报文交换以及数据交换,均发生在连接(Connection)中(见第一个图),事实上,报文交换是一种特殊的数据交换。一个连接中,存在三个数据交换字段,一个用于发送报文,一个用于接收报文,一个用于用户数据交换。设计两个端口用于报文交换,是因为考虑到读写方不一定同步进行。除此之外,报文交换中除了附带报文信息,还带有一个头部(Header),用于描述本报文的类别,以及其回复的历史报文类别,用于区别管理。

由于共享内存的机制比较底层,没有现成方法告诉读者哪些数据是旧的,哪些是刚刚更新,因此为了解决这个问题,每一个数据前头又带一个头部,目前该头部仅包含一个只会递增的字节,用作标识更新与否的报文ID。

连接的内存区域设计示意如下图所示:

data exchange

每一个连接均维护着两个监听线程,分别监听recv字段与data字段的更新,send字段的使用发生在recv字段的回复,或者是用户线程的行为调用,data字段的发送发生在用户线程,而接收则以回调的形式通知用户。字段的读写操作均是同步的。

重新看回第一个图可知,每一个客户端(client)均与驱动端(server,或driver)保持着一个连接,用于大部分控制信息的交换,而客户端与客户端建立的数据交换中,驱动端都会从中插一脚,用以keep alive机制,事实上所有连接都有该机制维护着内存区域的生命周期。

连接的监听逻辑设计如下图所示:

connection

其中,ping作为keep alive机制的控制报文,用以探测该连接是否有人使用,它的ack回复是自动的。图中与data相关的部分逻辑使用虚线箭头,表示该逻辑嫁接在recv线程中得以实现。该连接维护的逻辑中,共有三个回调接口,分别是:

  • OnUpdate:用户数据更新回调,只会发生在收到别的客户端发来信息的时候。
  • OnMessage:报文更新回调,该回调目前由LSM管理,是作为LSM系统的一部分存在。
  • OnTimeout:内存区域长时间未更新,或者客户端异常退出而发生死锁时回调,此时作为客户端会主动断开连接,而驱动端则会回收这片内存区域,目前没有重连接机制,需要LSM客户端使用者自行开发。

以上就是所有的管理机制,就如我所说,这样已经足够满足当前数据交换的需求了,至于进一步的需求,如重连接、数据序列化、数据加密等要求,可以通过另外一套框架来进行实现(详见nox设计)。

6. 程序设计

LSM依赖Boost.Interprocess,目前仅在Ubuntu下试验过,代码开源在:https://github.com/Yarten/LSM,欢迎各位下载使用,并且再次开发,以及提供宝贵的改进意见。

代码的设计基本分为5个逻辑部分:

  • kernel:核心部分,包括内存操作的基本类,若之后改换其他共享内存操作库,改变最多便是该模块;
  • component:组件部分,包括着LSM管理机制所需要的所有类,二次开发LSM协议便是该部分的工作;
  • server:服务端,或驱动端的实现,该部分产生一个可执行文件;
  • client:客户端,用于连接驱动、数据交换等操作,给应用程序使用LSM的接口;
  • utils:其他一些常用工具函数;