Mongodb源碼分析--內存文件映射(MMAP)

作者：代震軍 2011-04-25 17:15:39

在Mongodb中，其使用了操作系統底層提供的內存映射機制，即MMAP。MMAP可以把磁盤文件的一部分或全部內容直接映射到內存，這樣文件中的信息位置就會在內存中有對應的地址空間，這時對文件的讀寫可以直接用指針來做，而不需要read/write函數了。同時操作系統會將數據刷新保存到磁盤上。

在Mongodb中，其使用了操作系統底層提供的內存映射機制，即MMAP。MMAP可以把磁盤文件的一部分或全部內容直接映射到內存，這樣文件中的信息位置就會在內存中有對應的地址空間，這時對文件的讀寫可以直接用指針來做，而不需要read/write函數了。同時操作系統會將數據刷新保存到磁盤上。如下圖：

鑒于linux,window系統為mmap所提供的API大同小異(見下圖)。這里僅以mongodb對window系統的mmap調用機制為例，來說明一下其具體的實現方式，以及在mongodb啟動時，客戶端提交查詢和插入操作請求時mongodb的mmap執行流程。

上面類圖中:

MongoFile：定義了mongo文件對象常用操作，包括創建，關閉，設置名稱，flushAll，獲取MongoFile文件總尺寸等。
MMF: 一個類型定義，其聲明：typedef MemoryMappedFile MMF;
MongoMMF：為了便于journaling/durability操作，對MemoryMappedFile進行了一些封裝（特別是對private views ）

下面著重看一下windows提供的mmap的常用API：

MapViewOfFile(): 把文件數據映射到進程的地址空間
CreateFileMapping() : 創建一個新的文件映射內核對象
FlushViewOfFile(): 強制系統將內存中修改過的數據重新寫入磁盤映像，從而可以確保所有的數據更新能及時保存到磁盤
CloseHandle(): 關閉文件映射對象和文件對象
MapViewOfFileEx(): 將文件映射到指定的進程地址空間

參數說明：

MapViewOfFile(  
    __in HANDLE hFileMappingObject,  /*hFileMappingObject是共享文件對象*/ 
    __in DWORD dwDesiredAccess, /*dwDesiredAccess是文件共享屬性*/ 
    __in DWORD dwFileOffsetHigh, /*dwFileOffsetHigh是文件共享區的偏移地址*/ 
    __in DWORD dwFileOffsetLow, /*dwFileOffsetLow是文件共享區的偏移地址*/ 
    __in SIZE_T dwNumberOfBytesToMap /*dwNumberOfBytesToMap是共享數據長度*/ 
    );

//winbase.h  
    CreateFileMappingW(  
    __in      HANDLE hFile,   /*hFile是創建共享文件的句柄*/ 
    __in_opt LPSECURITY_ATTRIBUTES lpFileMappingAttributes, /*lpFileMappingAttributes是文件共享的屬性*/ 
    __in      DWORD flProtect,  /*flProtect是當文件映射時讀寫文件的屬性*/ 
    __in      DWORD dwMaximumSizeHigh, /*是文件共享的大小高位字節*/ 
    __in      DWORD dwMaximumSizeLow, /*是文件共享的大小低位字節*/ 
    __in_opt LPCWSTR lpName /*lpName是共享文件對象名稱*/ 
    );  
    #ifdef UNICODE  
    #define CreateFileMapping  CreateFileMappingW  
    #else  
    #define CreateFileMapping  CreateFileMappingA  
    #endif // !UNICODE

FlushViewOfFile(  
__in LPCVOID lpBaseAddress, /*內存映射文件中的視圖的一個字節的地址*/ 
__in SIZE_T dwNumberOfBytesToFlush /*想要刷新的字節數*/ 
);

MapViewOfFileEx(  
__in HANDLE hFileMappingObject,  /*共享文件對象*/ 
__in DWORD dwDesiredAccess, /*文件共享屬性*/ 
__in DWORD dwFileOffsetHigh, /*文件共享區的偏移地址*/ 
__in DWORD dwFileOffsetLow, /*文件共享區的偏移地址*/ 
__in SIZE_T dwNumberOfBytesToMap /*共享數據長度*/ 
__in_opt LPVOID lpBaseAddress /*指定映射文件映射對象的地址。如這個地址處沒有足夠的內存空間，  
                                那么對MapViewOfFileEx的調用會失效*/ 
);

下面我們看一下mongodb如何使用上述API，來實現windows環境下對mongofile進行mmap操作的.

//mmap_win.cpp  
    mutex mapViewMutex("mapView");//聲明mapView的互斥體(mutex)對象  
   ourbitset writable;  
 
   /** unmapping 通知，以便清空 writable bits */ 
   void MemoryMappedFile::clearWritableBits(void *p) {  
       for( unsigned i = ((size_t)p)/ChunkSize; i <= (((size_t)p)+len)/ChunkSize; i++ ) {  
           writable.clear(i);  
           assert( !writable.get(i) );  
       }  
   }  
 
   MemoryMappedFile::MemoryMappedFile()  
       : _flushMutex(new mutex("flushMutex")) {  
       fd = 0;  
       maphandle = 0;  
       len = 0;  
       created();  
   }  
   //關閉文件MemoryMappedFile  
   void MemoryMappedFile::close() {  
       for( vector<void*>::iterator i = views.begin(); i != views.end(); i++ ) {  
           clearWritableBits(*i);  
           UnmapViewOfFile(*i);  
       }  
       views.clear();  
       if ( maphandle )  
           CloseHandle(maphandle);//關閉文件映射對象和文件對象  
       maphandle = 0;  
       if ( fd )  
           CloseHandle(fd);//關閉文件映射對象和文件對象  
       fd = 0;  
   }  
 
   unsigned long long mapped = 0;  
   //創建只讀map  
   void* MemoryMappedFile::createReadOnlyMap() {  
       assert( maphandle );  
       scoped_lock lk(mapViewMutex);  
       void *p = MapViewOfFile(maphandle, FILE_MAP_READ, /*f ofs hi*/0, /*f ofs lo*/ 0, /*dwNumberOfBytesToMap 0 means to eof*/0);  
       if ( p == 0 ) {  
           DWORD e = GetLastError();  
           log() << "FILE_MAP_READ MapViewOfFile failed " << filename() << " " << errnoWithDescription(e) << endl;  
       }  
       else {  
           views.push_back(p);  
       }  
       return p;  
   }  
 
   //創建指定名稱和大小的MapViewOfFile  
   void* MemoryMappedFile::map(const char *filenameIn, unsigned long long &length, int options) {  
       assert( fd == 0 && len == 0 ); // 僅能打開一次  
       setFilename(filenameIn);  
       /* big hack here: Babble uses db names with colons.  doesn't seem to work on windows.  temporary perhaps. */ 
       char filename[256];  
       strncpy(filename, filenameIn, 255);  
       filename[255] = 0;  
       {  
           size_t len = strlen( filename );  
           for ( size_t i=len-1; i>=0; i-- ) {  
               if ( filename[i] == '/' ||  
                       filename[i] == '\\' )  
                   break;  
 
               if ( filename[i] == ':' )  
                   filename[i] = '_';  
           }  
       }  
 
       updateLength( filename, length );//如果指定文件已存在，則用已存在的文件長度更新length值  
       {  
           DWORD createOptions = FILE_ATTRIBUTE_NORMAL;  
           if ( options & SEQUENTIAL )  
               createOptions |= FILE_FLAG_SEQUENTIAL_SCAN;//針對連續訪問對文件緩沖進行優化選項  
           DWORD rw = GENERIC_READ | GENERIC_WRITE;//普通讀/寫  
           fd = CreateFile(//創建相關文件  
                    toNativeString(filename).c_str(),//創建的文件名稱  
                    rw, // desired access  
                    FILE_SHARE_WRITE | FILE_SHARE_READ, // share mode  
                    NULL, // security  
                    OPEN_ALWAYS, // create disposition  
                    createOptions , // flags  
                    NULL); // hTempl  
           if ( fd == INVALID_HANDLE_VALUE ) {  
               DWORD e = GetLastError();  
               log() << "Create/OpenFile failed " << filename << " errno:" << e << endl;  
               return 0;  
           }  
       }  
 
       mapped += length;  
       {  
 
          //采用“讀寫文件數據”方式的頁面保護屬性             
 
          DWORD flProtect = PAGE_READWRITE;  
 
           //創建一個文件映射內核對象并告訴系統文件的尺寸以及訪問文件的方式  
           maphandle = CreateFileMapping(fd, NULL, flProtect,  
                                         length >> 32 /*maxsizehigh*/,  
                                         (unsigned) length /*maxsizelow*/,  
                                         NULL/*lpName*/);  
           if ( maphandle == NULL ) {  
 
              // 先獲取操作信息， 因為下面的log()要刪除lasterror信息  
               DWORD e = GetLastError();  
               log() << "CreateFileMapping failed " << filename << ' ' << errnoWithDescription(e) << endl;  
               close();  
               return 0;  
           }  
       }  
 
       void *view = 0;  
       {  
           scoped_lock lk(mapViewMutex);  
           DWORD access = (options&READONLY)? FILE_MAP_READ : FILE_MAP_ALL_ACCESS;  
 
           //把文件數據映射到進程的地址空間  
           view = MapViewOfFile(maphandle, access, /*f ofs hi*/0, /*f ofs lo*/ 0, /*dwNumberOfBytesToMap 0 means to eof*/0);  
       }  
       if ( view == 0 ) {  
           DWORD e = GetLastError();  
           log() << "MapViewOfFile failed " << filename << " " << errnoWithDescription(e) << endl;  
           close();  
       }  
       else {  
           views.push_back(view);  
       }  
       len = length;  
 
       return view;  
   }  
 
   class WindowsFlushable : public MemoryMappedFile::Flushable {  
   public:  
       WindowsFlushable( void * view , HANDLE fd , string filename , boost::shared_ptr<mutex> flushMutex )  
           : _view(view) , _fd(fd) , _filename(filename) , _flushMutex(flushMutex)  
       {}  
 
       void flush() {  
           if (!_view || !_fd)  
               return;  
 
           scoped_lock lk(*_flushMutex);  
           // 強制系統將內存中修改過的數據重新寫入磁盤映像，從而可以確保所有的數據更新能及時保存到磁盤。  
           bool success = FlushViewOfFile(_view, 0 /*0表示全部mapping*/);  
           if (!success) {  
               int err = GetLastError();  
               out() << "FlushViewOfFile failed " << err << " file: " << _filename << endl;  
           }  
 
           success = FlushFileBuffers(_fd);//刷新內部文件緩沖區的數據刷到磁盤上  
           if (!success) {  
               int err = GetLastError();  
               out() << "FlushFileBuffers failed " << err << " file: " << _filename << endl;  
           }  
       }  
 
       void * _view;  
       HANDLE _fd;  
       string _filename;  
       boost::shared_ptr<mutex> _flushMutex;  
   };  
   //是否進行異步的flush操作（該操作會將修改過的數據部分或全部重新寫入磁盤映像）  
   void MemoryMappedFile::flush(bool sync) {  
    uassert(13056, "Async flushing not supported on windows", sync);//windows系統不支持異步flush  
       if( !views.empty() ) {  
           WindowsFlushable f( views[0] , fd , filename() , _flushMutex);  
           f.flush();  
       }  
   }  
  //預先刷數據操作，該方法確保這個對象是可以執行flush()操作，以便在調用該方法之后執行flush操作.  
  //參見mmap.cpp flushAll操作  
  MemoryMappedFile::Flushable * MemoryMappedFile::prepareFlush() {  
       return new WindowsFlushable( views.empty() ? 0 : views[0] , fd , filename() , _flushMutex );  
   }  
   void MemoryMappedFile::_lock() {}  
   void MemoryMappedFile::_unlock() {}

上面的代碼比較簡單，大家看一下注釋就可以了，下面看一下mmf對于上面的MemoryMappedFile類實現是如何封裝的，因為mmf會在journaling/durability這類場景下使用PrivateMap():

   //mongommf.cpp文件  
    //構造PrivateMap  
    void* MemoryMappedFile::createPrivateMap() {  
        assert( maphandle );  
        scoped_lock lk(mapViewMutex);  
        //void *p = mapaligned(maphandle, len);  
        void *p = MapViewOfFile(maphandle, FILE_MAP_READ, 0, 0, 0);  
        if ( p == 0 ) {  
            DWORD e = GetLastError();  
            log() << "createPrivateMap failed " << filename() << " " << errnoWithDescription(e) << endl;  
        }  
        else {  
            clearWritableBits(p);  
            views.push_back(p);  
        }  
        return p;  
    }  
    //重新映射PrivateView  
    void* MemoryMappedFile::remapPrivateView(void *oldPrivateAddr) {  
        dbMutex.assertWriteLocked(); // short window where we are unmapped so must be exclusive  
 
        // mapViewMutex確保在重新映射時獲得相同的地址  
        scoped_lock lk(mapViewMutex);  
        //清空 writable bits  
        clearWritableBits(oldPrivateAddr);  
        //從進程的地址空間（oldPrivateAddr）撤消文件數據的映像  
        if( !UnmapViewOfFile(oldPrivateAddr) ) {  
            DWORD e = GetLastError();  
            log() << "UnMapViewOfFile failed " << filename() << ' ' << errnoWithDescription(e) << endl;  
            assert(false);  
        }  
 
        // 將文件映射到指定的進程地址空間  
        void *p = MapViewOfFileEx(maphandle, FILE_MAP_READ, 0, 0,  
                                  /*dwNumberOfBytesToMap 0 means to eof*/0 /*len*/,  
                                  oldPrivateAddr);  
          
        if ( p == 0 ) {  
            DWORD e = GetLastError();  
            log() << "MapViewOfFileEx failed " << filename() << " " << errnoWithDescription(e) << endl;  
            assert(p);  
        }  
        assert(p == oldPrivateAddr);  
        return p;  
    }  
#endif  
    //重新映射PrivateView  
    void MongoMMF::remapThePrivateView() {  
        assert( cmdLine.dur );  
 
        // todo 1.9 : it turns out we require that we always remap to the same address.  
        // so the remove / add isn't necessary and can be removed  
        privateViews.remove(_view_private);  
        _view_private = remapPrivateView(_view_private);  
        privateViews.add(_view_private, this);  
    }  
    ......  
 
    //打開指定的文件并執行mmap操作  
    bool MongoMMF::open(string fname, bool sequentialHint) {  
        setPath(fname);  
        _view_write = mapWithOptions(fname.c_str(), sequentialHint ? SEQUENTIAL : 0);  
        return finishOpening();  
    }  
    //創建指定名稱的文件并執行mmap操作  
    bool MongoMMF::create(string fname, unsigned long long& len, bool sequentialHint) {  
        setPath(fname);  
        _view_write = map(fname.c_str(), len, sequentialHint ? SEQUENTIAL : 0);  
        return finishOpening();  
    }  
    //創建PrivateMap并加載到privateViews集合中  
    bool MongoMMF::finishOpening() {  
        if( _view_write ) {  
            if( cmdLine.dur ) {  
                _view_private = createPrivateMap();  
                if( _view_private == 0 ) {  
                    massert( 13636 , "createPrivateMap failed (look in log for error)" , false );  
                }  
                privateViews.add(_view_private, this); // note that testIntent builds use this, even though it points to view_write then...  
            }  
            else {  
                _view_private = _view_write;  
            }  
            return true;  
        }  
        return false;  
    }  
    ......  
    //從privateViews集合中移除當前 _view_private，并關閉文件映射對象和文件對象  
    void MongoMMF::close() {  
        {  
            if( cmdLine.dur && _view_write/*actually was opened*/ ) {  
                if( debug )  
                    log() << "closingFileNotication:" << filename() << endl;  
                dur::closingFileNotification();  
            }  
            privateViews.remove(_view_private);  
        }  
        _view_write = _view_private = 0;  
        MemoryMappedFile::close();//關閉文件映射對象和文件對象  
    }

mongodb完成了上面的工具類的聲明定義之后，就會在前臺使用這些類了，下面通過插入數據操作（之前主要流程我已在這篇文章中有所描述）過程中，對上面類的使用來進行闡述.

首先需要說明的是，如果是***在本地運行mongod，則不會在指定的數據庫目錄（dbpath 參數）下生成數據庫文件，但如果有數據插入時，則會生成相應文件，這里可以理解為生成文件的過程就是mmap的創建過程。

之前的文章中提到過，當客戶端要插入記錄時，則系統會根據客戶端的操作枚舉信息來調用相應的操作，這里它會執行instance.cpp文件中的receivedInsert方法，并進而調用 pdfile.cpp 文件的 insert()函數,而在該方法下有如下一段代碼：

DiskLoc DataFileMgr::insert(const char *ns, const void *obuf, int len, bool god, const BSONElement &writeId, bool mayAddIndex) {  
......  
      NamespaceDetails *d = nsdetails(ns);//獲取ns的詳細信息  
      if ( d == 0 ) {  
          addNewNamespaceToCatalog(ns);//向system catalog添加新的名空間，它會再次調用當前insert()方法  
          
          // 創建***個數據庫文件，方法位于database.cpp  
          cc().database()->allocExtent(ns, Extent::initialSize(len), false);  
......  
}

上面的allocExtent方法用于分配Extent要求的磁盤空間，其中Extent用于記錄多個record記錄信息，而record就是數據庫中的一條記錄。這里可以將Extent看成是一個數據集合，但與我們通常所理解的"數據表"(datatable)有所差異，因為在同一個namespace下可以有一個或多個extent(可以不連續)，extent之間是一個雙向鏈表結構，其通過cursor進行向前(forward)或反轉(reverse)的訪問。有關這些內容，參見我之前寫的這篇文章。

言歸正傳，在上面的allocExtent方法中，會執行pdfile.cpp中的如下方法：

//pdfile.cpp  
 Extent* MongoDataFile::createExtent(const char *ns, int approxSize, bool newCapped, int loops) {  
     .....  
     int ExtentSize = approxSize <= header()->unusedLength ? approxSize : header()->unusedLength;  
     DiskLoc loc;  
     if ( ExtentSize < Extent::minSize() ) {//判斷當前ExtentSize的大小  
         ......  
         //addAFile方法位于 database.cpp  
         return cc().database()->addAFile( 0, true )->createExtent(ns, approxSize, newCapped, loops+1);  
     .....  
 
 }

***在addAFile方法中，我們會看下如下代碼段：

//database.cpp  
   MongoDataFile* Database::addAFile( int sizeNeeded, bool preallocateNextFile ) {  
       int n = (int) files.size();  
       MongoDataFile *ret = getFile( n, sizeNeeded );//調用下面的getFile方法  
       .....  
   }  
 
   //database.cpp    
   MongoDataFile* Database::getFile( int n, int sizeNeeded , bool preallocateOnly) {  
       ......  
       namespaceIndex.init();  
       .....  
   }  
     
   //namespace.cpp    
   void NamespaceIndex::init() {  
       ......  
       unsigned long long len = 0;  
       boost::filesystem::path nsPath = path();  
       string pathString = nsPath.string();  
       void *p = 0;  
       if( MMF::exists(nsPath) ) {//使用本文前面提到的MMF類，判斷數據庫文件是否存在  
           if( f.open(pathString, true) ) {//打開指定的文件并執行mmap操作  
               len = f.length();  
               if ( len % (1024*1024) != 0 ) {  
                   log() << "bad .ns file: " << pathString << endl;  
                   uassert( 10079 ,  "bad .ns file length, cannot open database", len % (1024*1024) == 0 );  
               }  
               p = f.getView();//返回mapview  
           }  
       }  
       else {//不存在  
           // use lenForNewNsFiles, we are making a new database  
           massert( 10343, "bad lenForNewNsFiles", lenForNewNsFiles >= 1024*1024 );  
           maybeMkdir();//創建相應目錄（如不存在）  
           unsigned long long l = lenForNewNsFiles;  
           if( f.create(pathString, l, true) ) {//創建指定名稱的文件并執行mmap操作  
               getDur().createdFile(pathString, l); // always a new file  
               len = l;  
               assert( len == lenForNewNsFiles );  
               p = f.getView();//返回mapview  
           }  
       }  
       ......  
   }

下面用一張時序圖來大體回顧一下這***程：

在創建了該數據庫文件及相應mmap操作之后，下面再重新啟動mongod時，系統會通過構造client類的上下文對象（context）方法來最終調用namespaceIndex.init()方法，其時序圖如下，大家可以通過調試源碼來難證這***程：

好了，今天的內容到這里就告一段落。

參考鏈接：

http://www.cnblogs.com/daizhj/archive/2011/03/30/1999699.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Mmap
http://linux.about.com/library/cmd/blcmdl2_mmap.htm
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa366761.aspx
http://hi.baidu.com/%B2%A4%B2%CB%B1%F9%B1%F9/blog/item/f6e6fb2561c0136a35a80f70.html

原文鏈接:http://www.cnblogs.com/daizhj/archive/2011/04/25/mongos_mmap_source_code.html

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Mongodb源碼分析--內存文件映射(MMAP)