CN106909441B - 一种基于jvm的磁盘直接i/o访问的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，配置提供文件操作函数的API层、屏蔽操作系统文件系统访问差异的适配层、支持多种类编程语言转换的语言转换层、执行访问磁盘操作的直接调用I/O层，实现支持任何一种操作语言能跨越操作系统的页面高速缓存，获得直接操纵磁盘文件的能力；步骤1：调用API层的文件打开函数，传入文件操作指令中的文件路径名，返回文件句柄fd；步骤2：调用API层的文件读取函数或文件写入函数，提供传入文件句柄fd、文件偏移量等参数；步骤3：适配层读取当前运行的操作系统的配置信息，并根据配置信息判断该操作系统的类型，利用JVM的功能特性，调用预存在语言转换层中与操作系统对应的语言转换函数，使文件操作指令能在当前操作系统内执行。

Description

一种基于JVM的磁盘直接I/O访问的方法
技术领域
本发明隶属于系统文件输入输出的技术领域，具体涉及一种基于JVM的磁盘直接I/O访问的方法。
背景技术
一般的文件读写操作，都不可避免得使用到操作系统的文件系统的页面高速缓存(Page Cache)。Page Cache具有几个特点：首先，它是操作系统级别的全局内存空间，在所有应用程序间进行空间共享。由于物理内存有限，因此会出现资源争用情况。其次，页面高速缓存由操作系统统一管理，应用程序不能直接控制和干涉Page Cache。这在实际工作中，会带来如下问题：
第一、操作大文件时带来的系统整体性能下降。当读写大文件时，譬如当执行读、写、复制、移动、压缩大文件的操作时，系统会消耗大量的Page Cache，由于物理内存空间有限，导致系统中运行中的其它应用程序锁使用的Page Cache空间被交换出去(swappedout)，以释放出足够的Cache空间供其使用。这样一来，其它程序I/O的响应性能急剧下降，甚至会出现长时间无响应的症状，直到文件操作完毕后，才会恢复正常响应。这对于响应性能要求高的服务器程序来说，是不可接受的。譬如在互联网网站的服务端，由于大文件操作过程中该服务器无法在一定时间范围内完成响应，这意味着用户浏览网站的响应时间变长，甚至超时。
第二、数据一致性问题。Cache的维护成本高，应用程序每次写完文件后，实际上是更新了位于Cache中的文件，磁盘上的文件需要等到flush操作后才会刷到磁盘上。若flush之前系统宕机，则会丢失这部分的数据更新。
第三、对底层硬件的控制力弱。传统的基于JVM的应用程序，都无法直接操纵硬件磁盘。虽然Page Cache能够帮助程序提高I/O效率，但这对自缓存(Self-Caching)程序来说却是个障碍。自缓存程序自身维护一套数据从硬件磁盘到内存间的映射关系，它的缓存一致性维护机制往往是跟自身数据的逻辑结构密切相关，与传统的操作系统Page Cache机制存在着较大差异。但是由于操作系统底层提供的Page Cache机制，横亘在自缓存程序与底层磁盘硬件之间，造成昂贵的内存资源的巨大浪费。
JVM是Java Virtual Machine(Java虚拟机)的缩写，是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。JVM为了保证程序的可移植性，对程序员屏蔽了底层硬件访问细节。程序员只需要编写Java语法的代码，无须关心运行平台的处理器类型和操作系统。由JVM负责解释Java程序，并转换为能够在特定处理器和操作系统上运行的二进制指令。所有的底层硬件访问能力是由JVM提供的，并且JVM封装了一部分接口，通过JDK暴露出API给Java程序员。对于上述磁盘直接IO访问技术，JDK并未提供支持。JDK是Java语言的软件开发工具包，用于移动设备、嵌入式设备上的java应用程序。JDK是整个java开发的核心，它包含了JAVA的运行环境，JAVA工具和JAVA基础的类库。
发明内容
为解决现有技术存在的局限性和不足，本发明的目的是通过利用JVM功能特性，通过配置提供文件操作函数的API层、屏蔽操作系统文件系统访问差异的适配层、支持多种类编程语言转换的语言转换层、执行访问磁盘操作的直接调用I/O层，实现支持任何一种操作语言能跨越操作系统的页面高速缓存，获得直接操纵磁盘文件的能力，从根本上解决因系统宕机而导致的数据丢失问题，也有助于减少对系统全局资源的消耗，利于解决因操作大文件而引发其他程序I/O性能降低的难题。
技术方案如下:一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，通过利用JVM功能特性，配置提供文件操作函数的API层、屏蔽操作系统文件系统访问差异的适配层、支持多种类编程语言转换的语言转换层、执行访问磁盘操作的直接调用I/O层，实现支持任何一种操作语言能跨越操作系统的页面高速缓存，获得直接操纵磁盘文件的能力；
在物理磁盘之上，基于系统架构层原始的结构，包括API层、适配层、语言转换层和直接调用I/O层，在相应的层结构上构建文件操作接口函数、文件操作指令语言转换接口函数、及直接访问磁盘接口函数；
层结构部署完毕后，写入数据请求，并根据请求内容直接访问磁盘，步骤包括：
步骤1：调用API层的文件打开函数，传入文件操作指令中的文件路径名等参数，返回文件句柄fd；所述文件句柄是指操作系统为每一个文件分配的唯一标识，文件操作指令能通过文件句柄操作文件；在创建文件操作时，通过设置操作系统使用文件直接I/O访问的属性，使操作系统具备文件直接I/O访问能力；
步骤2：调用API层的文件读取函数或文件写入函数，提供传入文件句柄fd、文件偏移量offset、长度len、内存缓冲区buffer的参数；
所述文件偏移量offset是指操作文件中数据的起始位置；
所述长度len是指操作文件中数据的字节数；
所述内存缓冲区buffer：文件读取时，是指用来存放读取数据的内存区域；文件写入时，是指用来存放待写入数据的内存区域；
步骤3：适配层读取当前运行的操作系统的配置信息，并根据配置信息判断该操作系统的类型，进而通过利用JVM的功能特性，调用预存在语言转换层中与操作系统对应的语言转换函数，将文件操作函数转换为当前操作系统能识别的语言，使文件操作指令能在当前操作系统内执行；
特别地，若不能根据当前运行的操作系统，找到相匹配的语言转换函数，则提示“不支持本操作系统”的错误标识；
步骤4：经语言转换层后的文件操作指令直接对磁盘进行操作：通过提前在磁盘区内设置文件操作指令对应的文件指针，并根据文件偏移量offset，将文件指针移动至距离文件开始位置为文件偏移量offset的地方；同时，提前在内存缓冲区中设置文件指针，并根据文件偏移量offset，将文件指针移动至距离文件开始位置为文件偏移量offset的地方；
步骤5：根据文件操作指令的内容，判定文件是读操作还是写操作，并按照文件内容所占字节数读取或写入相应数据量的数据；
若文件操作是读操作，则从磁盘区内文件指针当前位置开始，读取字节数为len的磁盘数据，传至内存缓存区中；
若文件操作是写操作，则从内存缓冲区内文件指针当前位置开始，读取字节数为len的缓冲数据，传至硬盘区中；
步骤6：文件读操作或写操作结束后，调用API层的关闭文件接口函数，传入文件句柄fd，关闭文件。
进一步的，所述API层中构建文件操作指令应用于磁盘直接访问的打开文件接口函数、关闭文件接口函数、读取文件接口函数、写入文件接口函数，提供负责文件的打开、文件的关闭、文件的读和写；接口函数基于JVM语言编写；
所述适配层根据当前运行的操作系统，利用JVM的功能特性，选择适合当前操作系统的语言转换接口函数，使文件操作指令适应于当前操作系统，屏蔽因不同操作系统需要不同操作语言的差异性；
所述语言转换层按照转换后的文件操作语言，提供实现适应于当前操作系统的文件操作函数，用于之后执行具体的磁盘文件直接读写操作；
所述直接调用I/O层按照当前运行的操作系统，提供该操作系统的系统调用，直接访问磁盘。
进一步的，所述API层、适配层、语言转换层及直接调用I/O层，每一个层结构也能是具有相似功能的功能模块。
进一步的，步骤2中所述文件偏移量offset是指文件操作指令操作文件中数据的起始位置；所述长度len是指文件操作指令的操作文件中数据的字节数；所述内存缓冲区buffer：文件读取时，是指用来存放读取数据的内存区域；文件写入时，是指用来存放待写入数据的内存区域。
进一步的，在步骤3中，若不能根据所述当前运行的操作系统，找到相匹配的语言转换函数，则提示“不支持本操作系统”的错误标识。
进一步的，步骤5中，针对所述内存缓冲区的内存地址，应按照操作系统内存分页大小，调整为内存分页大小的整数倍，以保持内存缓冲区与内存分页的对齐。
在步骤5中，针对所述磁盘区读写的字节数，应按照磁盘扇区大小，调整为磁盘扇区大小的整数倍，以保持内存缓冲区与扇区的对齐。
与现有技术相比，有益效果：
(1)本发明利用JVM功能特性，通过配置提供文件操作函数的API层、屏蔽操作系统文件系统访问差异的适配层、支持多种类编程语言转换的语言转换层、执行访问磁盘操作的直接调用I/O层，支持任何一种操作语言能跨越操作系统的页面高速缓存，获得直接操纵磁盘文件的能力，减少对系统全局资源的消耗，有利于解决因操作大文件而引发其他程序I/O性能降低的难题；
(2)本发明中通过直接对磁盘执行写操作，使数据更新不再借助操作系统的页面高速缓存，而是直接持久化入磁盘，从根本上解决因系统宕机而导致的数据丢失问题；
(3)本发明通过配置好的适配层和语言转换层，使包含java在内的基于JVM的编程语言经转换后，均能适用于支持访问操作系统的系统调用，解决因不同操作系统需要不同编程语言而导致重复编程工作；
(4)本发明通过基于系统架构层的原始结构，综合利用JVM功能特性，使构建的文件操作函数能以统一形式的API接口暴露给操作系统，并适应于在不同操作系统内执行磁盘直接I/O访问，实现在各操作系统间的可移植，减少因操作系统差异而导致的人工修改；
附图说明
图1为本发明实施例中基于JVM的磁盘直接I/O访问方法实施结构图
图2为本发明实施例中基于JVM的磁盘直接I/O访问方法实现流程图
图3为本发明实施例中对磁盘直接读写的流程示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面对本发明实施例中一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法中所涉及的一些术语做简单解释：
所述文件句柄fd是指操作系统为每一个文件分配的唯一标识，文件操作指令能通过文件句柄操作文件；
所述文件偏移量offset是指操作文件中数据的起始位置；
所述长度len是指操作文件中数据的字节数；
所述内存缓冲区buffer：文件读取时，是指用来存放读取数据的内存区域；文件写入时，是指用来存放待写入数据的内存区域。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
基于系统架构层原始的结构，包括API层、适配层、语言转换层和直接调用I/O层，配置本发明需要的层结构，包括：
(1)API层中构建应用于磁盘直接访问的打开文件接口函数、关闭文件接口函数、读取文件接口函数、写入文件接口函数，提供负责文件的打开、文件的关闭、文件的读和写；接口函数基于JVM语言编写；
(2)适配层负责根据当前运行的操作系统，利用JVM的功能特性，选择适合当前操作系统的语言转换接口函数，使文件操作指令适应于当前操作系统，屏蔽因不同操作系统需要不同操作语言的差异性；
(3)语言转换层按照转换后的文件操作语言，提供实现适应于当前操作系统的文件操作函数，用于之后执行具体的磁盘文件直接读写操作；
(4)直接调用I/O层按照当前运行的操作系统，提供该操作系统的系统调用，直接访问磁盘；
图1为本发明实施例中基于JVM的磁盘直接I/O访问方法实施结构图中，
在物理磁盘之上，基于系统架构层原始的结构，包括API层101、适配层102、语言转换层103和直接调用I/O层104，配置本发明需要的层结构，包括：
所述API层101中以基于JVM的编程语言构建打开文件接口函数open、关闭文件接口函数close、读取文件接口函数read、写入文件接口函数write，提供负责文件的打开、文件的关闭、文件的读和写；
其中，所述基于JVM的编程语言包括Java、Scala、Groovy、Clojure等；
API层101内所有文件操作功能函数接口按照如下全限定名方式定义：
(1)Java_java_dio_DFile_open函数：文件打开接口；
(2)Java_java_dio_DFile_close函数：文件关闭接口；
(3)Java_java_dio_DFile_read函数：文件读接口；
(4)Java_java_dio_DFile_write函数：文件写接口；
所述适配层102负责根据当前运行的操作系统，选取适合当前操作系统的语言转换层函数，使文件操作指令能适应于当前操作系统，屏蔽因不同操作系统需要不同操作语言的差异性；
所述语言转换层103提供基于JVM编程语言的适应于不同操作系统的语言转换接口函数；当文件操作指令转换成能适应于操作系统内执行的语言时，语言转换层按照转换后的文件操作语言，提供文件操作的接口函数，实现具体的文件操作；
如下是经转换后适应于Linux系统的文件操作函数：
(1)Java_java_dio_DFile_imp_{Linux}_open函数：文件打开函数；
(2)Java_java_dio_DFile_imp_{Linux}_close函数：文件关闭函数；
(3)Java_java_dio_DFile_imp_{Linux}_read函数：文件读函数；
(4)Java_java_dio_DFile_imp_{Linux}_write函数：文件写函数；
所述直接调用I/O层104按照当前运行的操作系统，提供该操作系统的系统调用功能，直接访问磁盘；
本发明实施例中的操作系统是Linux系统，经层结构部署完毕后，写入数据请求，并根据请求内容直接访问磁盘，图2为本发明实施例中基于JVM的磁盘直接I/O访问方法实现流程图，具体包括：
步骤201：调用API层101的文件打开函数，传入文件路径名等参数，返回文件句柄fd，获取操作文件的标识；
步骤202：设置Linux系统的文件直接I/O访问属性，启动Linux文件直接I/O访问能力；
步骤203：根据读取文件或写入文件的需要，调用API层101中文件读取函数或文件写入函数，提供传入文件句柄fd、文件偏移量offset、长度len、内存缓冲区buffer的参数；
步骤204：适配层102读取当前运行的操作系统的配置信息，并根据配置信息判断该操作系统的类型，进而利用JNI调用预存在语言转换层中与操作系统对应的语言转换函数，将基于JVM语言编写的文件操作函数转换为当前操作系统能识别的语言，使文件操作指令能在当前操作系统内执行；
步骤205：开辟内存缓冲区，语言转换层103利用经语言转换后的文件操作指令直接对磁盘执行读操作或写操作，如图3所示，具体包括：
步骤205-1：获取操作系统的内存分页大小，并调整开辟的内存缓存区的内存地址为内存分页大小的整数倍，保证内存缓冲区与系统内存的对齐；
步骤205-2：获取物理磁盘扇叶大小，调整每次读、写的字节数为物理磁盘扇叶大小的整数倍，保证读取文件数量与物理磁盘扇区的对齐；
步骤205-3：在物理磁盘区和内存缓存区分别设置文件指针，根据文件偏移量offset，在磁盘区中将文件指针移动至距离文件开始位置为文件偏移量offset的地方，在内存缓存区中将文件指针移动至距离文件开始位置为文件偏移量offset的地方；
步骤205-4：若文件操作是读操作，则从磁盘区内文件指针当前位置开始，读取字节数为len的磁盘数据，传至内存缓存区中；
步骤205-5：若文件操作是写操作，则从内存缓冲区内文件指针当前位置开始，读取字节数为len的缓冲数据，传至硬盘区中；
步骤206：文件读操作或写操作结束后，调用API层的关闭文件接口函数，传入文件句柄fd，关闭文件；
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，其特征在于，配置提供文件操作函数的API层、屏蔽操作系统文件系统访问差异的适配层、支持多种类编程语言转换的语言转换层、执行访问磁盘操作的直接调用I/O层，实现支持任何一种操作语言能跨越操作系统的页面高速缓存，获得直接操纵磁盘文件的能力；
在物理磁盘之上，基于系统架构层原始的结构，包括API层、适配层、语言转换层和直接调用I/O层，在相应的层结构上构建文件操作接口函数、文件操作指令语言转换接口函数、及直接访问磁盘接口函数；
层结构部署完毕后，写入数据请求，并根据请求内容直接访问磁盘，步骤包括：
步骤1：调用API层的文件打开函数，传入文件操作指令中的文件路径名参数，返回文件句柄fd；所述文件句柄是指操作系统为每一个文件分配的唯一标识，文件操作指令能通过文件句柄操作文件；在创建文件操作时，通过设置操作系统使用文件直接I/O访问的属性，使操作系统具备文件直接I/O访问能力；
步骤2：调用API层的文件读取函数或文件写入函数，提供传入文件句柄fd、文件偏移量offset、长度len、内存缓冲区buffer的参数；
步骤3：适配层读取当前运行的操作系统的配置信息，并根据配置信息判断该操作系统的类型，进而通过利用JVM的功能特性，调用预存在语言转换层中与操作系统对应的语言转换函数，将文件操作函数转换为当前操作系统能识别的语言，使文件操作指令能在当前操作系统内执行；
若不能根据当前运行的操作系统，找到相匹配的语言转换函数，则提示“不支持本操作系统”的错误标识；
步骤4：经语言转换层后的文件操作指令直接对磁盘进行操作：通过提前在磁盘区内设置文件操作指令对应的文件指针，并根据文件偏移量offset，将文件指针移动至距离文件开始位置为文件偏移量offset的地方；同时，提前在内存缓冲区中设置文件指针，并根据文件偏移量offset，将文件指针移动至距离文件开始位置为文件偏移量offset的地方；
步骤5：根据文件操作指令的内容，判定文件是读操作还是写操作，并按照文件内容所占字节数读取或写入相应数据量的数据；
若文件操作是读操作，则从磁盘区内文件指针当前位置开始，读取字节数为len的磁盘数据，传至内存缓存区中；
若文件操作是写操作，则从内存缓冲区内文件指针当前位置开始，读取字节数为len的缓冲数据，传至硬盘区中；
步骤6：文件读操作或写操作结束后，调用API层的关闭文件接口函数，传入文件句柄fd，关闭文件。
2.根据权利要求1所述的一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，其特征在于，所述API层中构建文件操作指令应用于磁盘直接访问的打开文件接口函数、关闭文件接口函数、读取文件接口函数、写入文件接口函数，提供负责文件的打开、文件的关闭、文件的读和写；接口函数基于JVM语言编写；
所述适配层根据当前运行的操作系统，利用JVM的功能特性，选择适合当前操作系统的语言转换接口函数，使文件操作指令适应于当前操作系统，屏蔽因不同操作系统需要不同操作语言的差异性；
所述语言转换层按照转换后的文件操作语言，提供实现适应于当前操作系统的文件操作函数，用于之后执行具体的磁盘文件直接读写操作；
所述直接调用I/O层按照当前运行的操作系统，提供该操作系统的系统调用，直接访问磁盘。
3.根据权利要求1所述的一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，其特征在于，所述API层、适配层、语言转换层及直接调用I/O层，每一个层结构也能是具有相似功能的功能模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，其特征在于，步骤2中所述文件偏移量offset是指文件操作指令操作文件中数据的起始位置；所述长度len是指文件操作指令的操作文件中数据的字节数；所述内存缓冲区buffer：文件读取时，是指用来存放读取数据的内存区域；文件写入时，是指用来存放待写入数据的内存区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，其特征在于，在步骤5中，针对所述内存缓冲区的内存地址，应按照操作系统内存分页大小，调整为内存分页大小的整数倍，以保持内存缓冲区与内存分页的对齐。
6.根据权利要求1所述的一种基于JVM的磁盘直接I/O访问方法，其特征在于，在步骤5中，针对所述磁盘区读写的字节数，应按照磁盘扇区大小，调整为磁盘扇区大小的整数倍，以保持内存缓冲区与扇区的对齐。
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