[[415490]]

大家好，我是小風(fēng)哥。

在之前的文章《阿里終面：為什么不能把SSD當(dāng)內(nèi)存用?》中討論了為什么SSD不能當(dāng)內(nèi)存用這一話題，然后就有很多同學(xué)跑過來咨詢文章中提到的新硬件。

在這里說下，大家有什么問題可以直接添加我的個(gè)人微信：coder_saver，備注”讀者”即可，feel free to contact me。

在這篇文章中博主提到了Intel有一款新設(shè)備，即能當(dāng)內(nèi)存用也能像磁盤一樣持久化內(nèi)存數(shù)據(jù)，很多同學(xué)咨詢這種新硬件的編程問題，那么在這篇文章中小風(fēng)哥就給大家聊聊這話題。

持久內(nèi)存

在這里簡單說下，這種新硬件就是Intel推出的傲騰持久內(nèi)存，Intel Optane Persistent Memory ，這種硬件可以當(dāng)做內(nèi)存來用，和普通內(nèi)存一樣，但同時(shí)也具有非易失特性，像磁盤或者SSD一樣斷電后內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，就是這么的神奇。

對(duì)于這類持久化內(nèi)存來講就真的沒有重啟一說了，因?yàn)閿?shù)據(jù)會(huì)一直保存在內(nèi)存里，加電后直接用即可，你的程序就再也沒有啟動(dòng)或者初始化一說了，這是一種全新的設(shè)備，對(duì)程序員來說有一定的挑戰(zhàn)。

那么針對(duì)這類硬件該如何編程呢?

面向存儲(chǔ)編程

實(shí)際上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者說數(shù)據(jù)存放在兩個(gè)地方：內(nèi)存以及存儲(chǔ)設(shè)備，這里的存儲(chǔ)設(shè)備就是程序員熟悉的磁盤或者SSD。

對(duì)于需要將數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)設(shè)備的程序員來說，通常必須小心的維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性，為什么呢?

對(duì)于高可靠程序來說你必須能隨時(shí)應(yīng)對(duì)斷電或者程序崩潰，如果數(shù)據(jù)沒有及時(shí)的從內(nèi)存刷入磁盤，那么此時(shí)你的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失;而如果在寫入磁盤的過程中發(fā)生了斷電或者程序崩潰crash，那么此時(shí)寫入磁盤就是不完整的數(shù)據(jù)。

對(duì)于面向存儲(chǔ)設(shè)備編程的程序員來說解決上述問題有一個(gè)常用的方法，那就是write-ahead logging。

你不是會(huì)隨時(shí)斷電或者隨時(shí)程序崩潰嗎，我在真正寫入磁盤之前先寫一段log，這段log的內(nèi)容可能是這樣的：“我要往磁盤中寫入一句話，這句話是“小風(fēng)哥太帥了!””。

那么假設(shè)在將真正的數(shù)據(jù)“小風(fēng)哥太水了!”這個(gè)字符串寫入磁盤的過程中機(jī)房斷電或者程序崩潰，放心，在這種情況下是丟失不了數(shù)據(jù)的，此后程序在重啟時(shí)通過再次讀取該log：“我要往磁盤中寫入一句話“小風(fēng)哥太帥了!”，該程序就能獲得足夠的信息來再次往磁盤中寫數(shù)據(jù)，這就是write-ahead logging的妙用。

到這里我先應(yīng)該能大體明白這類程序員所面臨的挑戰(zhàn)了。

面向內(nèi)存編程

而對(duì)于面向內(nèi)存編程，也就是通常不需要關(guān)心數(shù)據(jù)持久存儲(chǔ)問題的程序員來說也沒那么容易，雖然你不需要關(guān)心數(shù)據(jù)持久存儲(chǔ)所面臨的一致性問題，但你需要在程序運(yùn)行過程中解決多線程訪問的一致性問題。

當(dāng)多個(gè)線程訪問同一段內(nèi)存時(shí)，程序員通常需要加鎖，這樣當(dāng)一個(gè)程序修改這段內(nèi)存時(shí)可以確保其它線程不會(huì)看到中間狀態(tài)——也就是修改到一半時(shí)的內(nèi)存數(shù)據(jù)。

當(dāng)斷電或者程序崩潰后內(nèi)存中的內(nèi)容就消失了，因此你不需要去關(guān)心持久存儲(chǔ)所面臨的一致性問題。

內(nèi)存數(shù)據(jù)斷電后消失、程序崩潰后內(nèi)存內(nèi)容消失以及磁盤數(shù)據(jù)可以持久存儲(chǔ)這些特性對(duì)于當(dāng)前的程序員來說已經(jīng)像空氣一樣習(xí)以為常了。

面向持久內(nèi)存編程

現(xiàn)在告訴你，有一種新硬件，這種硬件能讓你直接當(dāng)內(nèi)存來用，也就是可以直接字節(jié)尋址但與此同時(shí)斷電后內(nèi)容又不消失，你覺得會(huì)怎樣?

我想會(huì)有很多同學(xué)大呼神奇，該技術(shù)可以讓你獲得大量廉價(jià)內(nèi)存，同時(shí)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)在斷電以及程序崩潰時(shí)內(nèi)容不丟失。

但神奇的不止是這種硬件，針對(duì)該硬件進(jìn)行編程同樣需要編程思維上的轉(zhuǎn)變。

從特性上看，該硬件即是內(nèi)存又是磁盤，因此上面關(guān)于持久數(shù)據(jù)一致性以及多線程一致性的考慮都適用于該硬件，也就是說針對(duì)該硬件進(jìn)行編程時(shí)你即需要考慮多線程訪問一致性，也需要考慮持久數(shù)據(jù)一致性。

于此同時(shí)，最讓C/C++的程序員頭疼的問題之一，即內(nèi)存泄漏在持久內(nèi)存的場景下就更有挑戰(zhàn)了，在普通內(nèi)存下內(nèi)存泄漏后大不了重啟，而在持久內(nèi)存場景下，如果出現(xiàn)了內(nèi)存泄漏，那就是持久的內(nèi)存泄漏，重啟不再起作用。

這些程序員來說一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

For example

我們來看一個(gè)簡單的示例：

假設(shè)這段代碼出自銀行的賬戶系統(tǒng)，定義了一個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)體包含兩項(xiàng)：用戶姓名和賬戶余額：

struct account { 
  string name; 
  int money; 
}; 

當(dāng)有新用戶存錢時(shí)，那么需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)實(shí)例然后更新姓名和賬戶余額：

struct account *xfg = new account(); 
xfg->name = "xiaofengge"; 
xfg->money = 100000000; // 單位人民幣 

是的，你沒有看錯(cuò)，小風(fēng)哥在這段代碼里已經(jīng)財(cái)務(wù)自由了圖片。

這段代碼在程序員看來平淡無奇如同白開水一般。

第一行代碼從堆上分配一段內(nèi)存用來構(gòu)建data對(duì)象，后兩行用來初始化各個(gè)字段，簡單吧。

假設(shè)此時(shí)程序在執(zhí)行到第3行時(shí)機(jī)器斷電，或者系統(tǒng)崩潰，那么此時(shí)內(nèi)存會(huì)一掃而空，不會(huì)再有mydata的數(shù)據(jù)存在，小風(fēng)哥我在這家銀行不會(huì)有任何信息存在，當(dāng)然還包括我的1億巨款。

但假設(shè)該程序不是運(yùn)行在普通內(nèi)存而是持久內(nèi)存當(dāng)中會(huì)怎么樣呢?

讓我們?cè)賮砜匆幌逻@段代碼：

struct data *xfg = new data(); 
xfg->name = "xiaofengge"; 
xfg->money = 100000000; 

假設(shè)在執(zhí)行到第三行時(shí)機(jī)房斷電了，注意，此時(shí)程序的數(shù)據(jù)都保存在持久內(nèi)存中，那么此時(shí)斷電小風(fēng)哥的賬戶名稱已經(jīng)保存下來了，還不錯(cuò)，但最重要的1億元卻沒有保存下來，那么當(dāng)程序再次啟動(dòng)時(shí)小風(fēng)哥就只能看到一個(gè)空的賬戶了。

現(xiàn)在你應(yīng)該意識(shí)到基于持久內(nèi)存進(jìn)行編程的難點(diǎn)了吧。

基于持久化內(nèi)存編程的復(fù)雜性

程序員在基于持久內(nèi)存進(jìn)行編程時(shí)需要時(shí)刻意識(shí)到這是一塊內(nèi)存，因此需要維護(hù)多線程訪問的一致性，但與此同時(shí)這又是一塊存儲(chǔ)設(shè)備，需要維護(hù)在運(yùn)行時(shí)以及持久化的數(shù)據(jù)一致性。

基于此現(xiàn)狀，當(dāng)前的支持持久內(nèi)存的庫都支持這樣一種特性，也即原子特性，atomic。

原子在不用的應(yīng)用場景下有不同的語義，在多線程編程場景下，原子也即意味著除了當(dāng)前線程之外沒有任何一個(gè)線程更看到數(shù)據(jù)的中間狀態(tài)，換句話說就是不會(huì)有多個(gè)線程同時(shí)去修改一塊內(nèi)存。

但原子在持久內(nèi)存下的語言就不太一樣了，原子在這種場景下的語義是說不管在任何時(shí)刻斷電也好、程序崩潰也好，當(dāng)程序重啟后不會(huì)看到數(shù)據(jù)的中間狀態(tài)，該數(shù)據(jù)要么已經(jīng)正確的持久化要么還沒有開始持久化。

這里的數(shù)據(jù)和上面一樣，小到一個(gè)字節(jié)，大到一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體。

多線程中的鎖只能保證內(nèi)存更新的原子性，但不能保證數(shù)據(jù)持久化的原子性。

解決方案

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化原子性，持久內(nèi)存編程SDK通常從數(shù)據(jù)中借鑒一個(gè)叫做事務(wù)的概念，transaction。

事務(wù)的意思是這樣的：假設(shè)某個(gè)數(shù)據(jù)可能需要經(jīng)過A、B、C、D幾個(gè)步驟才能修改完畢，我們把這四個(gè)步驟打包放到事務(wù)中，那么事務(wù)就可以確保這四個(gè)步驟要么全部執(zhí)行完畢，要么全部都不去執(zhí)行。這樣即使在任意一個(gè)步驟斷電或者程序崩潰都不會(huì)影響到數(shù)據(jù)的一致性問題。

如果你對(duì)持久化內(nèi)存編程非常感興趣，關(guān)注公眾號(hào)碼農(nóng)的荒島求生并回復(fù)pmem即可下載詳細(xì)編程資料。

值得注意的是，程序員常用的磁盤flush操作只是確保當(dāng)該函數(shù)執(zhí)行完成后數(shù)據(jù)已經(jīng)被寫到了磁盤，但flush并不等同于事務(wù)，因?yàn)槿绻趂lush過程中如果斷電或者系統(tǒng)崩潰那么數(shù)據(jù)就處于薛定諤狀態(tài)，可能數(shù)據(jù)已經(jīng)被完全寫到磁盤了，也可能只寫了一部分，當(dāng)然，也可能什么都沒寫。

有的同學(xué)可能不理解為什么讀寫磁盤時(shí)要flush，原因在于操作系統(tǒng)會(huì)把內(nèi)存當(dāng)做磁盤的緩存用，出于性能的考慮你寫到磁盤中的數(shù)據(jù)并不會(huì)立即刷入磁盤，而是會(huì)有一個(gè)異步任務(wù)來完成寫磁盤操作，這就是Linux下的page cache機(jī)制，關(guān)于這類機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理請(qǐng)參見博主的深入理解操作系統(tǒng)，關(guān)注公眾號(hào)碼農(nóng)的荒島求生并回復(fù)操作系統(tǒng)即可。

總結(jié)

本文介紹一種全新的內(nèi)存設(shè)備，這類設(shè)備可以被操作系統(tǒng)識(shí)別為內(nèi)存，但又像磁盤一樣斷電后內(nèi)容不丟失，這類設(shè)備尤其適用于對(duì)內(nèi)存容量要求高以及程序啟動(dòng)時(shí)間長的場景。

但，這類設(shè)備在編程上對(duì)程序員來說是一大挑戰(zhàn)，這種持久內(nèi)存在未來是否會(huì)成為主流也尚待觀察。

我是小風(fēng)哥，希望這篇文章能給大家一些啟發(fā)。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「碼農(nóng)的荒島求生」，可以通過以下二維碼關(guān)注。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系碼農(nóng)的荒島求生公眾號(hào)。