如何通过mmap设计安卓进程间通信

CS架构
Android 平台第一个想到的就是 ContentProvider:一个单独进程管理数据,数据同步不易出错,简单好用易上手。然而它的问题也很明显,就是一个字慢:启动慢,访问也慢。这个可以说是 Android 下基于 Binder 的 CS 架构组件的通用痛点。至于其他的 CS 架构,例如经典的 socket、PIPE、message queue,因为要至少 2 次的内存拷贝,就更加慢了。

共享内存架构
使用 mmap 实现,只需要将文件 mmap 到每个访问进程的内存空间,加上合适的进程锁,再处理好数据的同步,就能够实现多进程并发访问。

进程锁
Android 是个阉割版的 Linux,IPC 组件的支持比较残缺。例如,说到进程锁第一个想到的就是 pthread 库的 pthread_mutex,创建于共享内存的 pthread_mutex 是可以用作进程锁的,然而 Android 版的 pthread_mutex 并不保证robust,亦即对 pthread_mutex 加了锁的进程被 kill,系统不会进行清理工作,这个锁会一直存在下去,那么其他等锁的进程就会永远饿死。其他的 IPC 组件,例如信号量、条件变量,也有同样问题,Android 为了能够尽快关闭进程,真是无所不用其极。

能够保证 robust 的,只有已打开的文件描述符,以及基于文件描述符的文件锁和 Binder 组件的死亡通知

实现细节
将文件 mmap 到内存块中,将新增的 key-value 统统 append 到内存中;到达边界后,进行重整回写以腾出空间,空间还是不够的话,就 double 内存空间;对于内存文件中可能存在的重复键值,MMKV 只选用最后写入的作为有效键值。那么其他进程为了保持数据一致,就需要处理这三种情况:写指针增长、内存重整、内存增长。但首先还得解决一个问题:怎么让其他进程感知这三种情况?

状态同步
写指针的同步
我们可以在每个进程内部缓存自己的写指针,然后在写入键值的同时,还要把最新的写指针位置也写到 mmap 内存中;这样每个进程只需要对比一下缓存的指针与 mmap 内存的写指针,如果不一样,就说明其他进程进行了写操作。事实上 MMKV 原本就在文件头部保存了有效内存的大小,这个数值刚好就是写指针的内存偏移量,我们可以重用这个数值来校对写指针。

内存重整的感知
考虑使用一个单调递增的序列号,每次发生内存重整,就将序列号递增。将这个序列号也放到 mmap 内存中,每个进程内部也缓存一份,只需要对比序列号是否一致,就能够知道其他进程是否触发了内存重整。

内存增长的感知
事实上 MMKV 在内存增长之前,会先尝试通过内存重整来腾出空间,重整后还不够空间才申请新的内存。所以内存增长可以跟内存重整一样处理。至于新的内存大小,可以通过查询文件大小来获得,无需在 mmap 内存另外存放。

写指针的增长
当一个进程发现 mmap 写指针增长,就意味着其他进程写入了新键值。这些新的键值都 append 在原有写指针后面,可能跟前面的 key 重复,也可能是全新的 key,而原写指针前面的键值都是有效的。那么我们就要把这些新键值都读出来,插入或替换原有键值,并将写指针同步到最新位置。

内存重整
当一个进程发现内存被重整了,就意味着原写指针前面的键值全部失效,那么最简单的做法是全部抛弃掉,从头开始重新加载一遍。

实现递归锁
意思是如果一个进程/线程已经拥有了锁,那么后续的加锁操作不会导致卡死,并且解锁也不会导致外层的锁被解掉。对于文件锁来说,前者是满足的,后者则不然。因为文件锁是状态锁,没有计数器,无论加了多少次锁,一个解锁操作就全解掉。只要用到子函数,就非常需要递归锁。
加写锁时,如果当前已经持有读锁,那么先尝试加写锁,try_lock 失败说明其他进程持有了读锁,我们需要先将自己的读锁释放掉,再进行加写锁操作,以避免死锁的发生。
解写锁时,假如之前曾经持有读锁,那么我们不能直接释放掉写锁,这样会导致读锁也解了。我们应该加一个读锁,将锁降级。

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