怎樣從災(zāi)難性故障中，恢復(fù)一個長期運行、系統(tǒng)級的后臺守護進程或者服務(wù)，在如今的軟件設(shè)計過程中，已成為了一個重要的考慮因素。當(dāng)這些軟件是由C++語言編成，并使用了引用計數(shù)的智能指針時，那么，智能指針的有效回收，對系統(tǒng)是否具有可伸縮級的恢復(fù)能力、甚至正確地繼續(xù)未完成的操作來說，都顯得至關(guān)重要。
在本文中，描述了一種方法，可從關(guān)機之后的軟件恢復(fù)中，有效地回收引用計數(shù)指針，而且此方法在內(nèi)存占用方面也非常高效，這種方法的關(guān)鍵在于避免對象復(fù)制，而對象復(fù)制通常是由C++中指針引用的串行化與反串行化這種傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)生的。當(dāng)從存檔文件中反串行化時，本方法使用了標(biāo)記(tag)來唯一地識別指針對象，且在系統(tǒng)恢復(fù)時由一個對象緩存來保存指針引用。
本文以一個基于事件的商業(yè)實時作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)來進行演示，其通常由大型市場咨詢公司使用，每天都會在集群工作站上處理數(shù)不勝數(shù)的計算任務(wù)。
為什么許多C++軟件項目會使用自動內(nèi)存管理技術(shù)呢，因為它有以下好處：
2 代碼安全性。避免了太早釋放一個對象所帶來的風(fēng)險。
2 代碼正確性。避免了忘記釋放未使用內(nèi)存所帶來的風(fēng)險。
2 代碼模塊性。代碼中不再需要點綴著與程序無關(guān)的簿記代碼。
2 編程簡單性。現(xiàn)在可假定一種無限內(nèi)存的計算模式。
2 編程高效性。程序員不再擔(dān)心內(nèi)存管理問題。
引用計數(shù)智能指針，有時也稱為“計數(shù)體術(shù)語”，是一種生命期受管的對象，其對引用它的數(shù)量，有一個內(nèi)部的計數(shù)器。當(dāng)內(nèi)部引用計數(shù)為零時，這些對象會自動銷毀自身，這是一種非常有用的技術(shù)，已運用在許多C++軟件產(chǎn)品項目中，因為簡單易行，且無需對語言或編譯器進行任何擴展。
引用計數(shù)智能指針能進一步定義為一體式或分離式，一體式智能指針把引用計數(shù)放在自身內(nèi)，而分離式智能指針則把引用計數(shù)放在對象之外。在本文中，使用的是分離式智能指針方案，這需要在訪問實際對象指針之前，在智能指針模板對象中重載 -> 或 * 操作符，從本質(zhì)上來說，這也是代理(Proxy)設(shè)計模式的一個特例。
就目前來說，還沒有一種方案以高效利用內(nèi)存的方式描述了怎樣恢復(fù)智能指針，而傳統(tǒng)的C++對象串行與反串行化方法，會導(dǎo)致內(nèi)存低效，因為當(dāng)一個反串行化的對象遇到一個對它的引用時，總是會創(chuàng)建一個新對象，在最壞的情況下，這會把一個恢復(fù)后的守護進程的內(nèi)存消耗量，推到一個無法接受的高度，致使它無法繼續(xù)運行下去。
問題的引出
傳統(tǒng)對象的串行與反串行化方案，也能實現(xiàn)智能指針，只不過在內(nèi)存上比較低效而已。在這些傳統(tǒng)方案中，當(dāng)一個對象串行化時，對象內(nèi)的成員指針被解引用，它的內(nèi)容與對象一起“串行”進存檔文件中。這種方法的問題在于，當(dāng)反串行化時，成員指針會再次構(gòu)造，且是每個恢復(fù)的對象都會這樣。
下面以基于事件的作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)來進行講解，作業(yè)定義在CJobDef對象中，其包含了作業(yè)的靜態(tài)屬性，如它執(zhí)行的命令、工作目錄、及作業(yè)執(zhí)行時的用戶ID。而作業(yè)定義的運行實例則包裝在CJobInst對象中，其包含了一些與實例有關(guān)的屬性，如它的進程ID、執(zhí)行參數(shù)、及運行歷史記錄。在類層次上，每個CJobInst對象都包含了一個成員，其引用到觸發(fā)這次作業(yè)實例的原始CJobDef對象。
圖1是軟件停止運行之前的系統(tǒng)，運行時CJobInst對象的多個實例可能會引用至同一個CJobDef對象。在軟件停止及恢復(fù)后，傳統(tǒng)串行化對象恢復(fù)方法，會導(dǎo)致為每個運行的CJobInst對象，都創(chuàng)建一個CJobDef對象，如圖2中所示。
圖1：恢復(fù)之前的對象圖
圖2：內(nèi)存低效恢復(fù)之后的對象圖
這種情況發(fā)生在傳統(tǒng)的C++類對象中指針成員串行化與反串行化時，例1，是一段帶有重載>>與<<操作符，串行及反串行化CJobInst與CJobDef類指針的CArchive類代碼，也證明了這點。
例1：
| 以下是引用片段：
classCJobDef
{
friendCArchive&operator>>(CArchive&ar,CJobDef*def)
{
ar>>def->command;
}
friendCArchive&operator<<(CArchive&ar,CjobDef*def)
{
ar<<def->command;
}
private:
std::stringcommand;
};
classCJobInst
{
friendCArchive&operator>>(CArchive&ar,CJobInst*inst)
{
inst->m_def=newCJobDef;
ar>>inst->m_def;
}
friendCArchive&operator<<(CArchive&ar,constCJobInst*inst)
{
ar<<inst->m_def;
}
private:
CJobDef*m_def;
}; |
在
CJobInst中串行化
CJobDef的私有成員
m_def涉及到調(diào)用
CArchive類中適當(dāng)?shù)?span lang="EN-US"><<操作符，重載的
<<操作符通過把對象屬性串行化進一個永久的存檔文件，來實現(xiàn)對
CJobDef指針的串行化；反串行化
CJobDef指針涉及到構(gòu)造一個新的對象，并調(diào)用
>>操作符從存檔文件中更新屬性。
解決方案
引用計數(shù)智能指針是由繼承自
CReferable類一個對象實現(xiàn)的，其包含了一個私有引用計數(shù)器及用于修改其值的
increaseReferenceCount（）與
decreaseReferenceCount（）方法，而相應(yīng)的
Ref模板類，通過
->、
*、
= 操作符重載，也實現(xiàn)了訪問此對象及對生命期的管理。
Ref模板對智能指針的賦值操作，會遞增對象的引用計數(shù)，而它的析構(gòu)函數(shù)會遞減計數(shù)。智能指針中的對象只當(dāng)它的引用計數(shù)為零時被銷毀。在上面的作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)中，
CJobDef對象被包裝在一個
CJobDefPtr類型中，其由以下語句定義：
| 以下是引用片段：
typedefRef<CJobDef>CJobDefPtr; |
這個
CJobDefPtr類型，正是類
CScheduler所用到的類型。當(dāng)用戶提交一個作業(yè)到事件作業(yè)調(diào)度器時，會產(chǎn)生一個
CJobDefPtr類型新的對象，且會賦予它
CJobDef對象
;此后，當(dāng)作業(yè)實例創(chuàng)建時，也正是這個
CJobDefPtr類型賦予給了實例。圖
3演示了類
CScheduler使用的
CJobDefPtr類型。
圖3：作業(yè)定義類關(guān)系圖
在CJobDefPtr類中，賦值=操作符遞增了CJobDef對象CReferable基類中的引用計數(shù)，而delete操作符遞減了這個引用計數(shù)。包裝在CJobDefPtr對象中的CJobDef對象不會被銷毀，直到它的引用計數(shù)為零，這也說明了在系統(tǒng)中，沒有其他任何對象引用CJobDef對象，它可以安全地被銷毀了。
再次提醒，從作業(yè)中創(chuàng)建的作業(yè)實例，被包裝在一個CJobInst類中。與CJobDef一樣，類CScheduler只知道它對應(yīng)版本的智能指針CJobInstPtr，而此對象的實例也會一直保持到?jīng)]有對它的引用為止。
另外，在系統(tǒng)中，還包括了另外三個特性，以便使調(diào)度系統(tǒng)可高效地恢復(fù)：
2 類CReferable增加了一個tag屬性，以唯一地識別每個創(chuàng)建的指針實例，同時有一個getTag()方法可用于訪問此屬性。
2 Ref模板類在稱為CReferableCache的全局對象緩存中管理它的對象，此全局對象緩存可由其他智能指針對象訪問。
2 Ref模板類添加了一個impersonate()方法，其允許一個智能指針以給定的tag轉(zhuǎn)換為另一個智能指針。
當(dāng)一個新的CJobDefPtr或CJobInstPtr被創(chuàng)建時，在CReferable基類構(gòu)造函數(shù)中，會分配給對象唯一的一個tag。這個tag可由幾種方式產(chǎn)生，但任一種方式都必須保證在每次軟件運行時，都會有一個唯一的ID。一個簡單的方案是使用一個靜態(tài)、全局的計數(shù)器對象，其在存檔文件中存儲了上一次產(chǎn)生的ID，由此可保證甚至在有多個軟件實例運行的條件下，都能單調(diào)不重復(fù)地遞增此ID。
分配給智能指針的tag，唯一地標(biāo)識出一個指針，而把此tag存入一個存檔文件就是對象串行化過程的責(zé)任了。對象的串行化過程，可通過CReferable基類的getTag()方法，來訪問此tag，接下來，對象的反串行化過程使用此tag，在軟件恢復(fù)時，來重建正確的對象指針實例引用。下面是反串行化過程必須執(zhí)行的步驟：
2 從存檔文件中恢復(fù)tag。
2 從tag標(biāo)識的存檔文件中，恢復(fù)對象屬性。
2 以此tag為界調(diào)用impersonate()方法，恢復(fù)正確的指針對象的引用。
Impersonate()會對是否一個tag索引了在全局CReferableCache對象集中的一個對象進行檢查，如果未找到此tag相應(yīng)的對象，那么此對象會添加到CReferableCache中，并用此tag作為它的索引值。然而，如果一個對象已經(jīng)存在于全局CReferableCache對象集中，通過以新引用來調(diào)用set()方法，你可以舍棄老引用，且無關(guān)的對象復(fù)制操作也會自動被刪除。例2使用了這種技術(shù)來實現(xiàn)智能指針。
例2：
| 以下是引用片段：
classCJobDef:publicCReferable
{
friendCArchive&operator<<(CArchive&ar,constCJobDefPtr&cand)
{
ar<<cand->getTag();
CArchivear_def(cand->getTag(),CArchive::WRITE);
//writeobjectattributestoar_def
returnar;
}
friendCArchive&operator>>(CArchive&ar,CJobDefPtr&cand)
{
inttag;
ar>>tag;
CArchivear_def(tag,CArchive::READ);
//readobjectattributesfromar_def
cand.impersonate(tag);
returnar;
}
};
classCJobInst:publicCReferable
{
friendCArchive&operator<<(CArchive&ar,constCJobInstPtr&cand)
{
ar<<cand->m_defPtr;
returnar;
}
friendCArchive&operator>>(CArchive&ar,CJobInstPtr&cand)
{
CJobDefPtrdefPtr=newCJobDef;
ar>>defPtr;
cand->m_defPtr=defPtr;
returnar;
}
}; |
圖4：作業(yè)對象與CReferableCache全局對象的交互
圖4描述了系統(tǒng)中類CScheduler、CJobDefPtr、CJobDef、CReferableCache之間的交互，類CReferableCache具有靜態(tài)成員方法getUniqueTag()、addObject()、deleteObject()。當(dāng)一個對CJobDef的智能指針創(chuàng)建時，如下：
| 以下是引用片段：
CJobDefPtrjobDefPtr=newCJobDef |
CScheduler
會構(gòu)造
CJobDefPtr和一個
CJobDef對象，當(dāng)對象構(gòu)造時，會通過
CJobDef基類的
CReferable構(gòu)造函數(shù)調(diào)用
getUniqueTag()方法，這就為每個
CJobDef對象創(chuàng)建了一個唯一的識別標(biāo)記
(tag)。接下來，
CJobDef對象被賦給
CJobDefPtr對象，后者會調(diào)用它自己的
set()方法把
CJobDef對象添加進來。
當(dāng)調(diào)用CJobDefPtr賦值操作符函數(shù)時，也會調(diào)用addObject()方法，如果是第一次賦值的話，它會把CJobDef對象添加進全局CReferableCache;當(dāng)智能指針被請求替換由tag識別的它內(nèi)部的對象引用時，impersonate()方法會調(diào)用getObject()方法，如果impersonate()方法未找到CReferableCache中標(biāo)記的對象，那么，CJobDefPtr對象會替換它的內(nèi)部對象標(biāo)記，并把它自身添加到CReferableCache緩存集中;最后，當(dāng)CJobDefPtr被刪除及對象的引用計數(shù)為零時，deleteObject()方法此時會被調(diào)用。
在此所描述的事件調(diào)度系統(tǒng)，一般使用在市場咨詢數(shù)據(jù)公司中，其會在網(wǎng)絡(luò)集群工作站上觸發(fā)計算任務(wù)，當(dāng)從世界各處的零售商匯集所需信息之后，在每周的三天之中，都會觸發(fā)計算任務(wù)，而這三天中的任意時刻，系統(tǒng)可能也要在集群工作站上運行超過20萬個任務(wù)。因此，軟件在合理內(nèi)存及CPU消耗的前提下，支持重新啟動，就顯得非常重要了。表1顯示了在系統(tǒng)中運行著多個計算任務(wù)時，事件調(diào)度守護進程在每次重啟后的內(nèi)存消耗，在系統(tǒng)重啟后，較小的內(nèi)存消耗要歸功于軟件中使用了上文方法來串行及反串行化不常用的類對象的那些模塊。當(dāng)任務(wù)完成時，內(nèi)存最終將被回收。
表1：在軟件每次重啟后的調(diào)度系統(tǒng)所用內(nèi)存大小
| 運行任務(wù)數(shù) | 軟件重啟前的內(nèi)存占用大小 | 軟件重啟后的內(nèi)存占用大小 |
| 5000 | 25M | 32M |
| 100000 | 370M | 413M |
| 200000 | 730M | 795M |