CN101739301B - Unix环境下进程间大量数据传输的方法 - Google Patents
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Abstract
一种Unix环境下进程间大量数据传输的方法，是基于Unix IPC本身的共享内存机制提供了在进程间共享数据的方法，步骤是，采用两种不同的内存布局，即在共享内存的基础上采用通道和在线队列两种结构来存取数据，用于在进程间传递大量数据。本方案满足了实时计费系统中进程间数据传输的实时性、可靠性要求，可以在不同进程间快速传递大量不同种类的数据记录，即使进程崩溃也不会丢失数据。
Description
技术领域
本方案涉及Unix环境下进程间大量数据的传输方法。
背景技术
通信计费系统通常采用模块化设计，使用不同的程序实现相对独立的功能，如文件传输、预处理、分拣和批价等。程序运行的实例在操作系统中就是一个或多个进程。各个进程需要协作处理数据，这就设计到数据传输和共享问题。数据的传输和共享可以使用操作系统的进程间通信(IPC,Inter-Process Communication)机制，也可以使用数据库、磁盘文件、网络socket等方式，或者使用中间件如Tuxedo、MQSeries的方式。计费系统一般运行在小型机的Unix操作系统中，常见的有IBM AIX,HP-UX,Sun Solaris等。在Unix操作系统中，进程间通信IPC主要有以下几种方式:管道、FIFO、信号量、消息队列、共享内存区。对于通信计费系统，需要处理的的数据种类繁多，数据量巨大，对可靠性的要求很高，还需要考虑多主机和跨平台部署的问题，这些特点限制了可以使用的数据传输方式。
对于离线计费系统，由于对实时性要求不是很高，一般使用磁盘文件的来传递话单数据，使用数据库来共享参数。用磁盘文件的交换数据的方法对于数据量没有限制，只要存储介质上有足够的空间；但由于磁盘物理结构的特点，读写速度有限制，特别是在多进程并发访问的情况下。使用数据库的方式本质上还是基于磁盘文件的，在大规模并发访问的情况下效率也不高。现阶段也有内存数据库产品，虽然解决了部分效率问题，但也存在成本高，接口开发难度大，启动时间长等问题，不适合内嵌到计费系统中。
对于在线计费系统，对数据创数的实时性、可靠性要求都更高，需要考虑其他方法来实现数据传输。本文描述了一种在Unix环境下进程间大量数据的传输方法，可以达到实时计费系统的实时性、可靠性和安全性要求。这种传输方法的核心技术是在Unix System-V共享内存的基础上使用特定的数据结构来存取数据，使用信号量来解决多进程并发访问的同步问题。
发明内容
本发明的目的是，在Unix环境的进程间快速安全传输大量数据。在线计费系统的主要功能是实时处理用户的呼叫请求，根据用户的资料和本次呼叫的相关计费信息对呼叫进行授权，并将授权结果返回给相关网元。在用户业务结束的时候还需要处理上报的计费事件信息，生成话单并交给业务支撑系统处理。在线计费系统由几个相对独立的进程组成，需要实现一种方法在进程间传输大量的数据，并且满足系统的实时性可可靠性要求。
一种Unix环境下进程间大量数据传输的方法，是基于Unix IPC本身的共享内存机制提供了在进程间共享数据的方法，步骤是，采用两种不同的内存布局，即在共享内存的基础上采用通道和在线队列两种结构来存取数据，用于在进程间传递大量数据；
所述通道的结构和内存布局如下：
通道是一种先进先出的队列，整块共享内存被分成头部和n个数据块；
头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小；
每个数据块由头记录、尾记录和数据队列组成；
头记录和尾记录分别记录了队列的头部和尾部在数据队列中的位置；在存储时，总是写入尾记录所指向的位置，并将尾记录+1；在取出时，总是从头记录所指向的位置读取，并将头记录-1；头尾记录在到达数据队列边界的时候向另一端滑动。
通道的每个数据块实现了一个先进先出的队列，可以向一个方向传递数据，每n(n≥2)个数据块组成了一个n端口的通道，可以向n个方向传递数据；
所述在线队列的结构和内存布局如下：
在线队列是一种按记录关键字排序的队列，用于保存可以按关键字区别的记录，可以进行全队列搜索的；
在线队列按记录关键字的大小排序，使用二分法查找记录；整块共享内存被分成头部和n个数据块；头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小。
在线队列的每个数据块由数据队列，已使用索引队列，未使用索引队列组成；数据队列中存放实际的数据，已使用索引队列，未使用索引队列只记录数据队列的位置；所述已使用索引中记录的是队列中已经使用的记录的位置，索引本身是按照实际数据的大小排序的，所述未使用的索引记录了数据队列中所有空的位置，在插入数据时直接在索引中找第一个空闲位置即可；
由于在线队列需要排序，在插入和删除数据时，数据本身在队列中存放是不排序的，而是通过所述已使用索引来记录数据的排列顺序；在插入和删除记录引起排序操作时，只需要移动索引中的记录即可；索引只记录了数据的位置。
所述通道和队列在创建时指定以下参数：
a、通道或在线队列个数、
b、每个通道或队列中能保存的最大记录数、
c、每个记录的最大占用存储空间，
通道和在线队列一旦创建，以上参数就不能修改，除非重新创建；通道和在线队列可以存储的数据种类没有限制，对于每一类数据，需要知道这种数据的可能占用的最大的存储空间；在保存的时候，将实际的记录大小记录在内存的结构中，取出时按实际大小取出。
本方法的溢出的处理采用了外部存储的方式来处理溢出问题；只对通道进行了保护，步骤是，在溢出发生时，先将记录按顺序写入外部磁盘文件，每个访问通道的进程都可以启动一个独立的保护线程，在通道有剩余空间的时候，将外部磁盘文件中的记录按顺序写入通道。
本方法的并发访问的协调是通过使用信号量的方法来协调进程的并发访问；每个进程在对共享内存操作之前都需要先获得特定的信号量，否则一直阻塞，在操作完成之后再释放信号量。
本方法的开发接口是，本方法采用ANSI C++实现，提供了C++API供其它程序直接调用；只需要知道存储在共享内存中的数据的结构，使用其它支持System-V IPC的编程语言可以访问；不能直接支持的语言通过扩展模块的方式来使用。
本发明的技术方案是，Unix IPC本身的共享内存机制提供了在进程间共享数据的方法，它是所有IPC方式中效率最高的一种。它在内存中开辟一块区域，不同的进程可以把它映射到自己的地址空间进行访问。这块区域不依赖于特定的进程，创建以后只要不去销毁，它是一直存在的。对于每个进程，这块区域只是一块连续的内存空间，本身没有结构，本方案实现了两种不同的内存布局，在共享内存的基础上实现了“通道”和“在线队列”两种结构来存取数据，用于在进程间传递大量数据。
结构和内存布局
通道是一种先进先出的队列，最先存入的数据总是先被取出的。整块共享内存被分成头部和n个数据块。头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小。
每个数据块由头记录、尾记录和数据队列组成。头记录和尾记录分别记录了队列的头部和尾部在数据队列中的位置。在存储时，总是写入尾记录所指向的位置，并将尾记录+1。在取出时，总是从头记录所指向的位置读取，并将头记录-1。头尾记录在到达数据队列边界的时候向另一端滑动。
通道的每个数据块实现了一个先进先出的队列，可以向一个方向传递数据，每n(n≥2)个数据块组成了一个n端口的通道，可以向n个方向传递数据。如A、B两个进程间传递数据可以使用2端口的通道，A总是写入数据块0，从数据块1读；B总是写入数据块1，从数据块0读。
在线队列是一种按记录关键字排序的队列，用于保存可以按关键字区别的记录，可以进行全队列搜索的。在线队列按记录关键字的大小排序，使用二分法查找记录。整块共享内存被分成头部和n个数据块。头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小。
在线队列的每个数据块由数据队列，已使用索引队列，未使用索引队列组成。数据队列中存放实际的数据，这部分空间会比较大，已使用索引队列，未使用索引队列只记录数据队列的位置，“已使用索引”中记录的是队列中已经使用的记录的位置，索引本身是按照实际数据的大小排序的，“未使用的索引”记录了数据队列中所有空的位置，在插入数据时直接在索引中找第一个空闲位置即可。
由于在线队列需要排序，在插入和删除数据时如果直接移动队列中的数据开销会比较大，为了减小开销，数据本身在队列中存放是不排序的，而是通过“已使用索引”来记录数据的排列顺序。在插入和删除记录引起排序操作时，只需要移动索引中的记录即可。由于索引只记录了数据的位置，相对于记录本身的存储空间空间很小，移动的开销比较小。
通用性
通道和队列在创建时可以指定以下参数：
a、通道或在线队列个数、
b、每个通道或队列中能保存的最大记录数、
c、每个记录的最大占用存储空间，
通道和在线队列一旦创建，以上参数就不能修改，除非重新创建。通道和在线队列可以存储的数据种类没有限制，对于每一类数据，只需要知道这种数据的可能占用的最大的存储空间。在保存的时候，将实际的记录大小记录在内存的结构中，取出时按实际大小取出即可。
溢出的处理
对于通道和队列这两种对象，由于容量是固定的，在使用中都有可能发生溢出的情况。本方案中采用了外部存储的方式来处理溢出问题。由于队列涉及到复杂的搜索操作，外部存储不适用，本方案只对通道进行了保护。在溢出发生时，先将记录按顺序写入外部磁盘文件，每个访问通道的进程都可以启动一个独立的保护线程，在通道有剩余空间的时候，将外部磁盘文件中的记录按顺序写入通道。这种方案不会丢失数据，也保证了通道中记录的传递顺序。
并发访问的协调
多个进程同时访问同一块共享内存会带来冲突，同一个区域被不同的进程同时读写会造成数据的不完整，系统可靠性被破坏。本方案通过使用信号量的方法来协调进程的并发访问。每个进程在对共享内存操作之前都需要先获得特定的信号量，否者一直阻塞，在操作完成之后再释放信号量。
开发接口
本方案采用ANSI C++实现，提供了C++API供其它程序直接调用。由于内存布局是独立于程序存在的，只需要知道存储在共享内存中的数据的结构，使用其它支持System-V IPC的编程语言也可以访问，如C和Perl，不能直接支持的语言也可以通过扩展模块的方式来使用，如Java和Python。
有益效果是，本方案满足了实时计费系统中进程间数据传输的实时性、可靠性要求，可以在不同进程间快速传递大量不同种类的数据记录，即使进程崩溃也不会丢失数据。
附图说明
图1通道内存布局示意图；
图2通道中的数据块结构示意图；
图3一个完整的2端口通道示意图；
图4在线队列的内存布局示意图；
图5在线队列数据块的结构示意图；
图6在线队列索引的结构示意图；
图7实时计费系统的数据流示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
一种Unix环境下进程间大量数据传输的方法，是基于Unix IPC本身的共享内存机制提供了在进程间共享数据的方法，其特征步骤是采用两种不同的内存布局，即在共享内存的基础上采用通道和在线队列两种结构来存取数据，用于在进程间传递大量数据；
所述通道的结构和内存布局如下：
通道是一种先进先出的队列，整块共享内存被分成头部和n个数据块；
头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小；
每个数据块由头记录、尾记录和数据队列组成；
头记录和尾记录分别记录了队列的头部和尾部在数据队列中的位置；在存储时，总是写入尾记录所指向的位置，并将尾记录+1；在取出时，总是从头记录所指向的位置读取，并将头记录-1；头尾记录在到达数据队列边界的时候向另一端滑动。
通道的每个数据块实现了一个先进先出的队列，可以向一个方向传递数据，每n(n≥2)个数据块组成了一个n端口的通道，可以向n个方向传递数据；
所述在线队列的结构和内存布局如下：
在线队列是一种按记录关键字排序的队列，用于保存可以按关键字区别的记录，可以进行全队列搜索的；
在线队列按记录关键字的大小排序，使用二分法查找记录；整块共享内存被分成头部和n个数据块；头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小。
在线队列的每个数据块由数据队列，已使用索引队列，未使用索引队列组成；数据队列中存放实际的数据，已使用索引队列，未使用索引队列只记录数据队列的位置；所述已使用索引中记录的是队列中已经使用的记录的位置，索引本身是按照实际数据的大小排序的，所述未使用的索引记录了数据队列中所有空的位置，在插入数据时直接在索引中找第一个空闲位置即可；
由于在线队列需要排序，在插入和删除数据时，数据本身在队列中存放是不排序的，而是通过所述已使用索引来记录数据的排列顺序；在插入和删除记录引起排序操作时，只需要移动索引中的记录即可；索引只记录了数据的位置。
所述通道和队列在创建时指定以下参数：
a、通道或在线队列个数、
b、每个通道或队列中能保存的最大记录数、
c、每个记录的最大占用存储空间，
通道和在线队列一旦创建，以上参数就不能修改，除非重新创建；通道和在线队列可以存储的数据种类没有限制，对于每一类数据，需要知道这种数据的可能占用的最大的存储空间；在保存的时候，将实际的记录大小记录在内存的结构中，取出时按实际大小取出。
本方法的溢出的处理采用了外部存储的方式来处理溢出问题；只对通道进行了保护，步骤是，在溢出发生时，先将记录按顺序写入外部磁盘文件，每个访问通道的进程都可以启动一个独立的保护线程，在通道有剩余空间的时候，将外部磁盘文件中的记录按顺序写入通道。
本方法的并发访问的协调是通过使用信号量的方法来协调进程的并发访问；每个进程在对共享内存操作之前都需要先获得特定的信号量，否则一直阻塞，在操作完成之后再释放信号量。
本方法的开发接口是，本方法采用ANSI C++实现，提供了C++API供其它程序直接调用；只需要知道存储在共享内存中的数据的结构，使用其它支持System-V IPC的编程语言可以访问；不能直接支持的语言通过扩展模块的方式来使用。
本例中是采用ANSI C++实现，封装成独立的程序库，可以直接内嵌在C++程序中使用。在实际的系统中，采用配置文件的方式来决定通道或队列的参数，并且为了避免访问进程在创建时的冲突，使用了独立的程序来创建所有需要的共享内存和信号量。由于一个通道或在线队列能同时被多个进程同时访问，实际应用中可以有一对多，多对一和多对多等几种情况。图7是一个实际的案例，显示了在实时计费系统中主要进程间的数据流动情况:
SCP接口程序从不同的网元接收呼叫请求，将请求消息放入一个2端口的通道
分检程序扫描所有2端口通道，按计费方号码分成不同的通道，并按优先级放入3端口通道
信用控制程序从3端口通道中读取请求消息并处理，优先级高的先处理，并将应答消息放回3端口通道，通话信息放入对应的在线队列
超时扫描程序定时扫描所有在线队列，删除长时间没有更新的通话
分检程序扫描3端口通道，将应答消息放入不同的2端口通道
SCP接口程序扫描2端口通道，将应答消息返回给对应的网元。
Claims (5)
1.一种Unix环境下进程间大量数据传输的方法，是基于Unix IPC本身的共享内存机制提供了在进程间共享数据的方法，其特征步骤是，采用两种不同的内存布局，即在共享内存的基础上采用通道和在线队列两种结构来存取数据，用于在进程间传递大量数据；
所述通道的结构和内存布局如下：
通道是一种先进先出的队列，整块共享内存被分成头部和m个数据块；
头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小；
每个数据块由头记录、尾记录和数据队列组成；
头记录和尾记录分别记录了队列的头部和尾部在数据队列中的位置；在存储时，总是写入尾记录所指向的位置，并将尾记录+1；在取出时，总是从头记录所指向的位置读取，并将头记录-1；头尾记录在到达数据队列边界的时候向另一端滑动；
通道的每个数据块实现了一个先进先出的队列，可以向一个方向传递数据，每n个数据块组成了一个n端口的通道，可以向n个方向传递数据，其中n≥2；
所述在线队列的结构和内存布局如下：
在线队列是一种按记录关键字排序的队列，用于保存可以按关键字区别的记录，可以进行全队列搜索的；
在线队列按记录关键字的大小排序，使用二分法查找记录；整块共享内存被分成头部和k个数据块；头部保存了队列的重要信息：数据块数、每块的记录数、记录的大小；
在线队列的每个数据块由数据队列，已使用索引队列，未使用索引队列组成；数据队列中存放实际的数据，已使用索引队列，未使用索引队列只记录数据队列的位置；所述已使用索引中记录的是队列中已经使用的记录的位置，索引本身是按照实际数据的大小排序的，所述未使用的索引记录了数据队列中所有空的位置，在插入数据时直接在索引中找第一个空闲位置即可；
由于在线队列需要排序，在插入和删除数据时，数据本身在队列中存放是不排序的，而是通过所述已使用索引来记录数据的排列顺序；在插入和删除记录引起排序操作时，只需要移动索引中的记录即可；索引只记录了数据的位置。
2.根据权利要求1所述的Unix环境下进程间大量数据传输的方法，其特征是，所述通道和队列在创建时指定以下参数：
a、通道或在线队列个数、
b、每个通道或队列中能保存的最大记录数、
c、每个记录的最大占用存储空间，
通道和在线队列一旦创建，以上参数就不能修改，除非重新创建；通道和在线队列可以存储的数据种类没有限制，对于每一类数据，需要知道这种数据的可能占用的最大的存储空间；在保存的时候，将实际的记录大小记录在内存的结构中，取出时按实际大小取出。
3.根据权利要求1所述的Unix环境下进程间大量数据传输的方法，其特征是本方法的溢出的处理采用了外部存储的方式来处理溢出问题；只对通道进行了保护，步骤是，在溢出发生时，先将记录按顺序写入外部磁盘文件，每个访问通道的进程都可以启动一个独立的保护线程，在通道有剩余空间的时候，将外部磁盘文件中的记录按顺序写入通道。
4.根据权利要求1所述的Unix环境下进程间大量数据传输的方法，其特征是本方法的并发访问的协调是通过使用信号量的方法来协调进程的并发访问；每个进程在对共享内存操作之前都需要先获得特定的信号量，否则一直阻塞，在操作完成之后再释放信号量。
5.根据权利要求1所述的Unix环境下进程间大量数据传输的方法，其特征是本方法的开发接口是，本方法采用ANSI C++实现，提供了C++API供其它程序直接调用；只需要知道存储在共享内存中的数据的结构，使用其它支持System-V IPC的编程语言可以访问；不能直接支持的语言通过扩展模块的方式来使用。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130320 |