Java扩展Nginx之七：共享内存

2023-07-17 06:17 由程序员欣宸发表于 #后端开发

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本篇概览

作为《Java扩展Nginx》系列的第七篇，咱们来了解一个实用工具共享内存，正式开始之前先来看一个问题
在一台电脑上，nginx开启了多个worker，如下图，如果此时我们用了nginx-clojure，就相当于有了四个jvm进程，彼此相互独立，对于同一个url的多次请求，可能被那四个jvm中的任何一个处理：
现在有个需求：统计某个url被访问的总次数，该怎么做呢？在java内存中用全局变量肯定不行，因为有四个jvm进程都在响应请求，你存到哪个上面都不行
聪明的您应该想到了redis，确实，用redis可以解决此类问题，但如果不涉及多个服务器，而只是单机的nginx，还可以考虑nginx-clojure提供的另一个简单方案：共享内存，如下图，一台电脑上，不同进程操作同一块内存区域，访问总数放入这个内存区域即可：
相比redis，共享内存的好处也是显而易见的：

redis是额外部署的服务，共享内存不需要额外部署服务
redis请求走网络，共享内存不用走网络

所以，单机版nginx如果遇到多个worker的数据同步问题，可以考虑共享内存方案，这也是咱们今天实战的主要内容：在使用nginx-clojure进行java开发时，用共享内存在多个worker之间同步数据
本文由以下内容组成：

先在java内存中保存计数，放在多worker环境中运行，验证计数不准的问题确实存在
用nginx-clojure提供的Shared Map解决问题

用堆内存保存计数

写一个content handler，代码如下，用UUID来表明worker身份，用requestCount记录请求总数，每处理一次请求就加一：

package com.bolingcavalry.sharedmap;

import nginx.clojure.java.ArrayMap;
import nginx.clojure.java.NginxJavaRingHandler;
import java.io.IOException;
import java.util.Map;
import java.util.UUID;
import static nginx.clojure.MiniConstants.CONTENT_TYPE;
import static nginx.clojure.MiniConstants.NGX_HTTP_OK;

public class HeapSaveCounter implements NginxJavaRingHandler {

    /**
     * 通过UUID来表明当前jvm进程的身份
     */
    private String tag = UUID.randomUUID().toString();

    private int requestCount = 1;

    @Override
    public Object[] invoke(Map<String, Object> map) throws IOException {

        String body = "From "
                    + tag
                    + ", total request count [ "
                    + requestCount++
                    + "]";

        return new Object[] {
                NGX_HTTP_OK, //http status 200
                ArrayMap.create(CONTENT_TYPE, "text/plain"), //headers map
                body
        };
    }
}

修改nginx.conf的worker_processes配置，改为auto，则根据电脑CPU核数自动设置worker数量：

worker_processes  auto;

nginx增加一个location配置，服务类是刚才写的HeapSaveCounter：

location /heapbasedcounter {
	content_handler_type 'java';
    content_handler_name 'com.bolingcavalry.sharedmap.HeapSaveCounter';
}

编译构建部署，再启动nginx，先看jvm进程有几个，如下可见，除了jps自身之外有8个jvm进程，等于电脑的CPU核数，和设置的worker_processes是符合的：

(base) willdeMBP:~ will$ jps
4944
4945
4946
4947
4948
4949
4950
4968 Jps
4943

先用Safari浏览器访问/heapbasedcounter，第一次收到的响应如下图，总数是1：
刷新页面，UUID不变，总数变成2，这意味着两次请求到了同一个worker的JVM上：
改用Chrome浏览器，访问同样的地址，如下图，这次UUID变了，证明请求是另一个worker的jvm处理的，总数变成了1：
至此，问题得到证明：多个worker的时候，用jvm的类的成员变量保存的计数只是各worker的情况，不是整个nginx的总数
接下来看如何用共享内存解决此类问题

关于共享内存

nginx-clojure提供的共享内存有两种：Tiny Map和Hash Map，它们都是key&value类型的存储，键和值均可以是这四种类型：int,long,String, byte array
Tiny Map和Hash Map的区别，用下表来对比展示，可见主要是量化的限制以及使用内存的多少：

特性	Tiny Map	Hash Map
键数量	2^31=2.14Billions	64位系统：2^63 32位系统：2^31
使用内存上限	64位系统：4G 32位系统：2G	受限于操作系统
单个键的大小	16M	受限于操作系统
单个值的大小	64位系统：4G 32位系统：2G	受限于操作系统
entry对象自身所用内存	24 byte	64位系统：40 byte 32位系统：28 byte

您可以基于上述区别来选自使用Tiny Map和Hash Map，就本文的实战而言，使用Tiny Map就够用了
接下来进入实战

使用共享内存

使用共享内存一共分为两步，如下图，先配置再使用：
现在nginx.conf中增加一个http配置项shared_map，指定了共享内存的名称是uri_access_counters：

# 增加一个共享内存的初始化分配，类型tiny，空间1M，键数量8K
shared_map uri_access_counters  tinymap?space=1m&entries=8096;

然后写一个新的content handler，该handler在收到请求时，会在共享内存中更新请求次数，总的代码如下，有几处要重点注意的地方，稍后会提到：

package com.bolingcavalry.sharedmap;

import nginx.clojure.java.ArrayMap;
import nginx.clojure.java.NginxJavaRingHandler;
import nginx.clojure.util.NginxSharedHashMap;
import java.io.IOException;
import java.util.Map;
import java.util.UUID;
import static nginx.clojure.MiniConstants.CONTENT_TYPE;
import static nginx.clojure.MiniConstants.NGX_HTTP_OK;

public class SharedMapSaveCounter implements NginxJavaRingHandler {

    /**
     * 通过UUID来表明当前jvm进程的身份
     */
    private String tag = UUID.randomUUID().toString();

    private NginxSharedHashMap smap = NginxSharedHashMap.build("uri_access_counters");

    @Override
    public Object[] invoke(Map<String, Object> map) throws IOException {
        String uri = (String)map.get("uri");

        // 尝试在共享内存中新建key，并将其值初始化为1，
        // 如果初始化成功，返回值就是0，
        // 如果返回值不是0，表示共享内存中该key已经存在
        int rlt = smap.putIntIfAbsent(uri, 1);

        // 如果rlt不等于0，表示这个key在调用putIntIfAbsent之前已经在共享内存中存在了，
        // 此时要做的就是加一，
        // 如果relt等于0，就把rlt改成1，表示访问总数已经等于1了
        if (0==rlt) {
            rlt++;
        } else {
            // 原子性加一，这样并发的时候也会顺序执行
            rlt = smap.atomicAddInt(uri, 1);
            rlt++;
        }

        // 返回的body内容，要体现出JVM的身份，以及share map中的计数
        String body = "From "
                + tag
                + ", total request count [ "
                + rlt
                + "]";

        return new Object[] {
                NGX_HTTP_OK, //http status 200
                ArrayMap.create(CONTENT_TYPE, "text/plain"), //headers map
                body
        };
    }
}

上述代码已经添加了详细注释，相信您一眼就看懂了，我这里挑几个重点说明一下：

写上述代码时要牢一件事：这段代码可能运行在高并发场景，既同一时刻，不同进程不同线程都在执行这段代码
NginxSharedHashMap类是ConcurrentMap的子类，所以是线程安全的，我们更多考虑应该注意跨进程读写时的同步问题，例如接下来要提到的第三和第四点，都是多个进程同时执行此段代码时要考虑的同步问题
putIntIfAbsent和redis的setnx类似，可以当做跨进程的分布式锁来使用，只有指定的key不存在的时候才会设置成功，此时返回0，如果返回值不等于0，表示共享内存中已经存在此key了
atomicAddInt确保了原子性，多进程并发的时候，用此方法累加可以确保计算准确（如果我们自己写代码，先读取，再累加，再写入，就会遇到并发的覆盖问题）
关于那个atomicAddInt方法，咱们回忆一下java的AtomicInteger类，其incrementAndGet方法在多线程同时调用的场景，也能计算准确，那是因为里面用了CAS来确保的，那么nginx-clojure这里呢？我很好奇的去探寻了一下该方法的实现，这是一段C代码，最后没看到CAS有关的循环，只看到一段最简单的累加，如下图：
很明显，上图的代码，在多进程同时执行时，是会出现数据覆盖的问题的，如此只有两种可能性了，第一种：即便是多个worker存在，执行底层共享内存操作的进程也只有一个
第二种：欣宸的C语言水平不行，根本没看懂JVM调用C的逻辑，自我感觉这种可能性很大：如果C语言水平可以，欣宸就用C去做nginx扩展了，没必要来研究nginx-clojure呀！（如果您看懂了此段代码的调用逻辑，还望您指点欣宸一二，谢谢啦）

编码完成，在nginx.conf上配置一个location，用SharedMapSaveCounter作为content handler：

location /sharedmapbasedcounter {
    content_handler_type 'java';
 	content_handler_name 'com.bolingcavalry.sharedmap.SharedMapSaveCounter';
}

编译构建部署，重启nginx
先用Safari浏览器访问/sharedmapbasedcounter，第一次收到的响应如下图，总数是1：
刷新页面，UUID发生变化，证明这次请求到了另一个worker，总数也变成2，这意味着共享内存生效了，不同进程使用同一个变量来计算数据：
改用Chrome浏览器，访问同样的地址，如下图，UUID再次变化，证明请求是第三个worker的jvm处理的，但是访问次数始终正确：
实战完成，前面的代码中只用了两个API操作共享内存，学到的知识点有限，接下来做一些适当的延伸学习

一点延伸

刚才曾提到NginxSharedHashMap是ConcurrentMap的子类，那些常用的put和get方法，在ConcurrentMap中是在操作当前进程的堆内存，如果NginxSharedHashMap直接使用父类的这些方法，岂不是与共享内存无关了？
带着这个疑问，去看NginxSharedHashMap的源码，如下图，真相大白：get、put这些常用方法，都被重写了，红框中的nget和nputNumber都是native方法，都是在操作共享内存：
至此，nginx-clojure的共享内存学习完成，高并发场景下跨进程同步数据又多了个轻量级方案，至于用它还是用redis，相信聪明的您心中已有定论

源码下载

《Java扩展Nginx》的完整源码可在GitHub下载到，地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：

名称	链接	备注
项目主页	https://github.com/zq2599/blog_demos	该项目在GitHub上的主页
git仓库地址(https)	https://github.com/zq2599/blog_demos.git	该项目源码的仓库地址，https协议
git仓库地址(ssh)	[email protected]:zq2599/blog_demos.git	该项目源码的仓库地址，ssh协议

这个git项目中有多个文件夹，本篇的源码在nginx-clojure-tutorials文件夹下的shared-map-demo子工程中，如下图红框所示：
本篇涉及到nginx.conf的修改，完整的参考在此：https://raw.githubusercontent.com/zq2599/blog_demos/master/nginx-clojure-tutorials/files/nginx.conf

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