如何防止在Windows临时删除关闭文件上打开的内存映射刷新到磁盘

Question

更新2/TL; DR

是否有一些方法可以防止由于关闭在这些文件上打开的内存映射而刷新Windows临时删除关闭文件的脏页.

是.如果您在初始创建后不需要对文件本身执行任何操作,并且实现了一些命名约定,则可以通过本答案中说明的策略实现.

注意:我仍然非常有兴趣找出导致行为有如此大的差异的原因,具体取决于地图的创建方式和处理/取消映射的顺序.

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我一直在研究一些进程间共享内存数据结构的策略,它允许通过使用一系列"内存块"来增加和缩小它在Windows上的承诺容量.

一种可能的方法是使用页面文件支持的命名内存映射作为块内存.这种策略的一个优点是可以用来SEC_RESERVE保留一大块内存地址空间并使用VirtualAllocwith 逐步分配它MEM_COMMIT.缺点似乎是(a)要求具有SeCreateGlobalPrivilege允许在Global\命名空间中使用可共享名称的权限,以及(b)所有提交的内存都有助于系统提交费用的事实.

为了克服这些缺点,我开始研究使用临时文件支持的内存映射.即内存映射在使用FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE | FILE_ATTRIBUTE_TEMPORARY标志组合创建的文件上.这似乎是一种推荐的策略,根据例如此博客文章应该防止将映射的内存刷新到磁盘(除非内存压力导致脏映射页面被分页).

然而,我观察到在拥有进程退出之前关闭映射/文件句柄会导致脏页被刷新到磁盘.即使视图/文件句柄不是创建脏页面的那个句柄以及在不同视图中页面被"弄脏"之后打开这些视图/文件句柄时,也会发生这种情况.

似乎更改处理顺序(即首先取消映射视图或首先关闭文件句柄)对启动磁盘刷新的时间有一些影响,但不会影响发生刷新的事实.

所以我的问题是:

• 有没有办法使用临时文件支持的内存映射,并防止它们在关闭映射/文件时刷新脏页,考虑到进程/多个进程中的多个线程可能有这样一个文件的打开句柄/视图？
• 如果不是,观察到的行为的原因是什么？
• 你知道我可能忽略的另一种策略吗？

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更新 一些附加信息:在两个独立(独立)进程中运行下面示例代码的"arena1"和"arena2"部分时,"arena1"是创建共享内存区域的进程,"arena2"是打开的进程它们,对于具有脏页的地图/块,观察到以下行为:

• 如果在"arena1"过程中的文件句柄之前关闭视图,它刷新这些块在磁盘的什么似乎(部分)的同步过程(即它会阻止几秒钟的处置线程),独立与否的"arena2"流程开始了.
• 如果在视图之前关闭文件句柄,则只对那些在"arena1"进程中关闭的地图/块进行磁盘刷新,而"arena2"进程仍然具有对这些块的打开句柄,并且它们看起来是"异步"的,即不阻止应用程序线程.

请参阅下面的(c ++)示例代码,该代码允许在我的系统上重现问题(x64,Win7):

static uint64_t start_ts;
static uint64_t elapsed() {
    return ::GetTickCount64() - start_ts;
}

class PageArena {
public:
    typedef uint8_t* pointer;

    PageArena(int id, const char* base_name, size_t page_sz, size_t chunk_sz, size_t n_chunks, bool dispose_handle_first) :
        id_(id), base_name_(base_name), pg_sz_(page_sz), dispose_handle_first_(dispose_handle_first) {
        for (size_t i = 0; i < n_chunks; i++) 
            chunks_.push_back(new Chunk(i, base_name_, chunk_sz, dispose_handle_first_));
    }        
    ~PageArena() {
        for (auto i = 0; i < chunks_.size(); ++i) {
            if (chunks_[i])
                release_chunk(i);
        }
        std::cout << "[" << ::elapsed() << "] arena " << id_ << " destructed" << std::endl;
    }

    pointer alloc() {
        auto ptr = chunks_.back()->alloc(pg_sz_);
        if (!ptr) {
            chunks_.push_back(new Chunk(chunks_.size(), base_name_, chunks_.back()->capacity(), dispose_handle_first_));
            ptr = chunks_.back()->alloc(pg_sz_);
        }
        return ptr;
    }
    size_t num_chunks() {
        return chunks_.size();
    }
    void release_chunk(size_t ndx) {
        delete chunks_[ndx];
        chunks_[ndx] = nullptr;
        std::cout << "[" << ::elapsed() << "] chunk " << ndx << " released from arena " << id_ << std::endl;
    }

private:
    struct Chunk {
    public:
        Chunk(size_t ndx, const std::string& base_name, size_t size, bool dispose_handle_first) :
            map_ptr_(nullptr), tail_(nullptr), 
            handle_(INVALID_HANDLE_VALUE), size_(0), 
            dispose_handle_first_(dispose_handle_first) {

            name_ = name_for(base_name, ndx);
            if ((handle_ = create_temp_file(name_, size)) == INVALID_HANDLE_VALUE)
                handle_ = open_temp_file(name_, size);
            if (handle_ != INVALID_HANDLE_VALUE) {
                size_ = size;
                auto map_handle = ::CreateFileMappingA(handle_, nullptr, PAGE_READWRITE, 0, 0, nullptr);
                tail_ = map_ptr_ = (pointer)::MapViewOfFile(map_handle, FILE_MAP_ALL_ACCESS, 0, 0, size);
                ::CloseHandle(map_handle); // no longer needed.
            }
        }
        ~Chunk() {
            if (dispose_handle_first_) {
                close_file();
                unmap_view();
            } else {
                unmap_view();
                close_file();
            }
        }
        size_t capacity() const {
            return size_;
        }
        pointer alloc(size_t sz) {
            pointer result = nullptr;
            if (tail_ + sz <= map_ptr_ + size_) {
                result = tail_;
                tail_ += sz;
            }
            return result;
        }

    private:
        static const DWORD kReadWrite = GENERIC_READ | GENERIC_WRITE;
        static const DWORD kFileSharing = FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE | FILE_SHARE_DELETE;
        static const DWORD kTempFlags = FILE_ATTRIBUTE_NOT_CONTENT_INDEXED | FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE | FILE_ATTRIBUTE_TEMPORARY;

        static std::string name_for(const std::string& base_file_path, size_t ndx) {
            std::stringstream ss;
            ss << base_file_path << "." << ndx << ".chunk";
            return ss.str();
        }
        static HANDLE create_temp_file(const std::string& name, size_t& size) {
            auto h = CreateFileA(name.c_str(), kReadWrite, kFileSharing, nullptr, CREATE_NEW, kTempFlags, 0);
            if (h != INVALID_HANDLE_VALUE) {
                LARGE_INTEGER newpos;
                newpos.QuadPart = size;
                ::SetFilePointerEx(h, newpos, 0, FILE_BEGIN);
                ::SetEndOfFile(h);
            }
            return h;
        }
        static HANDLE open_temp_file(const std::string& name, size_t& size) {
            auto h = CreateFileA(name.c_str(), kReadWrite, kFileSharing, nullptr, OPEN_EXISTING, kTempFlags, 0);
            if (h != INVALID_HANDLE_VALUE) {
                LARGE_INTEGER sz;
                ::GetFileSizeEx(h, &sz);
                size = sz.QuadPart;
            }
            return h;
        }
        void close_file() {
            if (handle_ != INVALID_HANDLE_VALUE) {
                std::cout << "[" << ::elapsed() << "] " << name_ << " file handle closing" << std::endl;
                ::CloseHandle(handle_);
                std::cout << "[" << ::elapsed() << "] " << name_ << " file handle closed" << std::endl;
            }
        }
        void unmap_view() {
            if (map_ptr_) {
                std::cout << "[" << ::elapsed() << "] " << name_ << " view closing" << std::endl;
                ::UnmapViewOfFile(map_ptr_);
                std::cout << "[" << ::elapsed() << "] " << name_ << " view closed" << std::endl;
            }
        }

        HANDLE          handle_;
        std::string     name_;
        pointer         map_ptr_;
        size_t          size_;
        pointer         tail_;
        bool            dispose_handle_first_;
    };

    int id_;
    size_t pg_sz_;
    std::string base_name_;
    std::vector<Chunk*> chunks_;
    bool dispose_handle_first_;
};

static void TempFileMapping(bool dispose_handle_first) {
    const size_t chunk_size = 256 * 1024 * 1024;
    const size_t pg_size = 8192;
    const size_t n_pages = 100 * 1000;
    const char*  base_path = "data/page_pool";
    start_ts = ::GetTickCount64();

    if (dispose_handle_first)
        std::cout << "Mapping with 2 arenas and closing file handles before unmapping views." << std::endl;
    else
        std::cout << "Mapping with 2 arenas and unmapping views before closing file handles." << std::endl;
    {
        std::cout << "[" << ::elapsed() << "] " << "allocating " << n_pages << " pages through arena 1." << std::endl;
        PageArena arena1(1, base_path, pg_size, chunk_size, 1, dispose_handle_first);
        for (size_t i = 0; i < n_pages; i++) {
            auto ptr = arena1.alloc();
            memset(ptr, (i + 1) % 256, pg_size); // ensure pages are dirty.
        }
        std::cout << "[" << elapsed() << "] " << arena1.num_chunks() << " chunks created." << std::endl;
        {
            PageArena arena2(2, base_path, pg_size, chunk_size, arena1.num_chunks(), dispose_handle_first);
            std::cout << "[" << ::elapsed() << "] arena 2 loaded, going to release chunks 1 and 2 from arena 1" << std::endl;
            arena1.release_chunk(1);
            arena1.release_chunk(2);
        }
    }
}

请参阅本要点包含运行上面的代码并链接到屏幕捕获的输出系统空闲内存运行时,与磁盘活动TempFileMapping(false)和TempFileMapping(true)分别.

Answer 1

赏金期结束后，没有任何答案可以提供更多见解或解决上述问题，我决定更深入地挖掘并尝试更多的操作组合和序列。

因此，我相信我已经找到了一种方法，可以通过临时的、关闭时删除的文件来实现进程之间共享的内存映射，这些文件在关闭时不会刷新到磁盘。

基本思想涉及在新创建临时文件时创建内存映射，其映射名称可在调用中使用OpenFileMapping：

// build a unique map name from the file name.
auto map_name = make_map_name(file_name); 

// Open or create the mapped file.
auto mh = ::OpenFileMappingA(FILE_MAP_ALL_ACCESS, false, map_name.c_str());
if (mh == 0 || mh == INVALID_HANDLE_VALUE) {
    // existing map could not be opened, create the file.
    auto fh = ::CreateFileA(name.c_str(), kReadWrite, kFileSharing, nullptr, CREATE_NEW, kTempFlags, 0);
    if (fh != INVALID_HANDLE_VALUE) {
        // set its size.
        LARGE_INTEGER newpos;
        newpos.QuadPart = desired_size;
        ::SetFilePointerEx(fh, newpos, 0, FILE_BEGIN);
        ::SetEndOfFile(fh);
        // create the map
        mh = ::CreateFileMappingA(mh, nullptr, PAGE_READWRITE, 0, 0, map_name.c_str());
        // close the file handle
        // from now on there will be no accesses using file handles.
        ::CloseHandle(fh);
    }
}

因此，文件句柄仅在新创建文件时使用，并在创建映射后立即关闭，而映射句柄本身保持打开状态，以允许在不需要访问文件句柄的情况下打开映射。请注意，这里存在竞争条件，我们需要在任何“真实代码”中处理它（以及添加适当的错误检查和处理）。

因此，如果我们获得有效的地图句柄，我们就可以创建视图：

auto map_ptr = MapViewOfFile(mh, FILE_MAP_ALL_ACCESS, 0, 0, 0);
if (map_ptr) {
    // determine its size.
    MEMORY_BASIC_INFORMATION mbi;
    if (::VirtualQuery(map_ptr, &mbi, sizeof(MEMORY_BASIC_INFORMATION)) > 0) 
        map_size = mbi.RegionSize;
}

当一段时间后关闭映射文件时：在取消映射视图之前关闭映射句柄：

if (mh == 0 || mh == INVALID_HANDLE_VALUE) {
    ::CloseHandle(mh);
    mh = INVALID_HANDLE_VALUE;
}
if (map_ptr) {
    ::UnmapViewOfFile(map_ptr);
    map_ptr = 0;
    map_size = 0;
}

而且，根据我迄今为止执行的测试，这不会导致在关闭时将脏页刷新到磁盘，问题已解决。无论如何，部分而言，可能仍然存在跨会话地图名称共享问题。