Elasticsearch 源代码分析之四:JNA 和交换分析
前面几篇我们分析了Elasticsearch的启动过程和线程池部分的源码,这里我们来分析一下Elasticsearch中的JNA使用和swap的那些事。
initializeNatives方法入参
来看一段org.elasticsearch.bootstrap.Bootstrap#setup中的代码:
//初始化本地的一些配置,如创建临时文件等 initializeNatives( environment.tmpFile(), BootstrapSettings.MEMORY_LOCK_SETTING.get(settings), BootstrapSettings.SYSTEM_CALL_FILTER_SETTING.get(settings), BootstrapSettings.CTRLHANDLER_SETTING.get(settings));
在此之前我们先来看下方法的几个参数,org.elasticsearch.bootstrap.BootstrapSettings中源码如下:
// TODO: remove this hack when insecure defaults are removed from java public static final Setting<Boolean> SECURITY_FILTER_BAD_DEFAULTS_SETTING = Setting.boolSetting("security.manager.filter_bad_defaults", true, Property.NodeScope);
public static final Setting<Boolean> MEMORY_LOCK_SETTING = Setting.boolSetting("bootstrap.memory_lock", false, Property.NodeScope); public static final Setting<Boolean> SYSTEM_CALL_FILTER_SETTING = Setting.boolSetting("bootstrap.system_call_filter", true, Property.NodeScope); public static final Setting<Boolean> CTRLHANDLER_SETTING = Setting.boolSetting("bootstrap.ctrlhandler", true, Property.NodeScope);
这里对initializeNatives传入了四个参数,参数说明如下:
- tmpFile:配置中传入的临时文件路径;
- bootstrap.memory_lock:内存锁的配置,默认为false;
- bootstrap.systemcallfilter:系统调用过滤器,布尔类型,默认为true;
- bootstrap.ctrlhandler:按ctrl键的处理器,布尔类型,默认为true。
进入org.elasticsearch.bootstrap.Bootstrap#initializeNatives方法内部,我们还是一步步分析。
org.elasticsearch.bootstrap.Bootstrap#initializeNatives方法内部分析
一步步来分析,先上第一段的代码:
/** initialize native resources */ public static void initializeNatives(Path tmpFile, boolean mlockAll, boolean systemCallFilter, boolean ctrlHandler) { final Logger logger = LogManager.getLogger(Bootstrap.class);
// check if the user is running as root, and bail // 校验下是否是在root用户下运行 if (Natives.definitelyRunningAsRoot()) { throw new RuntimeException("can not run elasticsearch as root"); }
// enable system call filter if (systemCallFilter) { Natives.tryInstallSystemCallFilter(tmpFile); } // 是否mlockall 这个参数可由用户传入,默认为false // mlockall if requested if (mlockAll) { if (Constants.WINDOWS) { // windows下中虚拟锁,即JNAKernel32Library中的锁定内存方法 Natives.tryVirtualLock(); } else { // linux和mac中的锁 JNACLibrary中的方法 Natives.tryMlockall(); } }
// listener for windows close event if (ctrlHandler) { Natives.addConsoleCtrlHandler(new ConsoleCtrlHandler() { @Override public boolean handle(int code) { if (CTRL_CLOSE_EVENT == code) { logger.info("running graceful exit on windows"); try { Bootstrap.stop(); } catch (IOException e) { throw new ElasticsearchException("failed to stop node", e); } return true; } return false; } }); }
// force remainder of JNA to be loaded (if available). try { JNAKernel32Library.getInstance(); } catch (Exception ignored) { // we've already logged this. } // 设置线程最大数 Natives.trySetMaxNumberOfThreads(); // 设置虚拟内存的最大值 Natives.trySetMaxSizeVirtualMemory(); // 设置最大文件大小 Natives.trySetMaxFileSize();
// init lucene random seed. it will use /dev/urandom where available: // 初始化lucene的随机种子 StringHelper.randomId(); }
在分析这个方法之前,我们先看一下两个用于处理内存锁定等操作的类:
- org.elasticsearch.bootstrap.JNAKernel32Library,它的调用链是首先在上面方法中的当判断当前为windows系统并且需要锁定时,调用的是Natives.tryVirtualLock()方法,进入方法内部调用的是JNANatives.tryVirtualLock()方法,继续进入方法内部调用的是JNAKernel32Library中的方法。
- org.elasticsearch.bootstrap.JNACLibrary,它的调用链就是上面方法中当判断当前非windows系统时,会调用Natives.tryMlockall()方法,进入内部调用的是JNANatives.tryMlockall()方法,继续进入方法内部调用的是JNACLibrary中的方法
使用java调用dll和cpp文件方法很多,可以使用jni,jna,jnative等,其中jni使用步骤太麻烦,而且只能调用自己生成的dll文件,有局限性。Jnative存在32位和64位系统的问题,貌似64位系统不能使用,而且调用方法也很麻烦。所以,采用jna比较适合。
JNA(Java Native Access)框架是一个开源的Java框架,是SUN公司主导开发的,建立在经典的JNI的基础之上的一个框架。
JNA项目地址:https://jna.dev.java.net/
JNA的安装很简单,把从官网下载的jna.jar包导入工作路径就可以了。
JNACLibray是通过JNA来调用linux和mac中的cpp库文件的,JNAKernel32Libray是通过调用windows的kernel32.dll来执行相关操作的。
对于JNACLibray库和JNAKernel32Libray库的使用我们这里不再深究,有兴趣的可以自己down一份es源码来学习,这里我们主要关注下一个用户可以自定义的参数bootstrap.memory_lock在这里的作用,关于mlockAll的说明在网上找到了一份中英文对照版本(地址:https://www.cnblogs.com/bonelee/p/6207097.html):
mlock() and mlockall() respectively lock part or all of the calling process's virtual address space into RAM, preventing that memory from being paged to the swap area. munlock() andmunlockall() perform the converse operation, respectively unlocking part or all of the calling process's virtual address space, so that pages in the specified virtual address range may once more to be swapped out if required by the kernel memory manager. Memory locking and unlocking are performed in units of whole pages.
mlock系统调用的作用:mlock系统调用允许程序在物理内存上锁住它的部分或全部地址空间,这将阻止Linux将这个内存页调度到交换空间(即阻止系统将某个页面换出到交换分区),即使该程序已有一段时间没有访问这段空间。一个严格时间相关的程序可能会希望锁住物理内存,因为内存页面调出调入的时间延迟可能太长或过于不可预知。安全性要求较高的应用程序可能希望防止敏感数据被换出到交换文件中,因为这样在程序结束后,攻击者可能从交换文件中恢复出这些数据。锁定一个内存区间只需简单将指向区间开始的指针及区间长度作为参数调用mlock()。Linux分配内存到页且每次只能锁定整页内存,被指定的区间涉及到的每个内存页都将被锁定。
mlock参数的目的是当你无法关闭系统的swap的时候,建议把这个参数设为true。防止在内存不够用的时候,elasticsearch的内存被交换至交换区,导致性能骤降。
那么什么是swap呢?
在Linux下,SWAP的作用类似Windows系统下的“虚拟内存”。当物理内存不足时,拿出部分硬盘空间当SWAP分区(虚拟成内存)使用,从而解决内存容量不足的情况。
SWAP意思是交换,顾名思义,当某进程向OS请求内存发现不足时,OS会把内存中暂时不用的数据交换出去,放在SWAP分区中,这个过程称为SWAP OUT。当某进程又需要这些数据且OS发现还有空闲物理内存时,又会把SWAP分区中的数据交换回物理内存中,这个过程称为SWAP IN。
当然,swap大小是有上限的,一旦swap使用完,操作系统会触发OOM-Killer机制,把消耗内存最多的进程kill掉以释放内存。
那么elasticsearch使用swap是好还是坏呢?
- es一般对响应延迟比较敏感,而swap场景下进程虽然不会被kill,但是会一直处理不可用状态。
- swap场景下进程会一直hang住,导致es集群请求阻塞。
所以,一般情况下还是不用swap为好。如果想了解更多swap的知识,可以参考下:https://www.jianshu.com/p/73847b688728。
最后我简单地贴一下linux和mac环境下jna的工作方法,也就是JNACLibrary中的方法,代码如下:
/** * java mapping to some libc functions */final class JNACLibrary {
private static final Logger logger = LogManager.getLogger(JNACLibrary.class);
public static final int MCL_CURRENT = 1; public static final int ENOMEM = 12; public static final int RLIMIT_MEMLOCK = Constants.MAC_OS_X ? 6 : 8; public static final int RLIMIT_AS = Constants.MAC_OS_X ? 5 : 9; public static final int RLIMIT_FSIZE = Constants.MAC_OS_X ? 1 : 1; public static final long RLIM_INFINITY = Constants.MAC_OS_X ? 9223372036854775807L : -1L;
static { try { Native.register("c"); } catch (UnsatisfiedLinkError e) { logger.warn("unable to link C library. native methods (mlockall) will be disabled.", e); } }
/** * 系统调用 mlock 家族允许程序在物理内存上锁住它的部分或全部地址空间。 * 这将阻止Linux 将这个内存页调度到交换空间(swap space),即使该程序已有一段时间没有访问这段空间。 * mlockall() 锁定调用进程所有映射到地址空间的分页。这包括代码、数据、栈片段分页,同时也包括共享库、 * 用户空间内核数据、共享内存以及内存映射的文件。调用成功返回后所有映射的分页都保证在 RAM 中: * 直到后来的解锁,这些分页都保证一直在 RAM 内。 * @see:https://blog.****.net/sinkou/article/details/75143875 * @param flags * @return */ static native int mlockall(int flags);
/** * geteuid():返回有效用户的ID。getuid():返回实际用户的ID。 * 实际用户:表示一开始执行程序的用户,比如用账号iceup登录shell,然后执行程序ls,那么实际用户就是iceup。 * 有效用户:有效用户是指在程序运行时,计算权限的用户。大多数情况下实际用户和有效用户相等, * 但是在执行拥有SUID权限的程序的时候,这两个用户通常会不一致。总结,有效用户ID(EUID)是你最初执行程序时所用的ID, * 表示该ID是程序的所有者。真实用户ID(UID)是程序执行过程中采用的ID,该ID表明当前运行位置程序的执行者。 * @see:https://blog.****.net/sinkou/article/details/75143875 * @return */ static native int geteuid();
/** corresponds to struct rlimit */ public static final class Rlimit extends Structure implements Structure.ByReference { public NativeLong rlim_cur = new NativeLong(0); public NativeLong rlim_max = new NativeLong(0);
@Override protected List<String> getFieldOrder() { return Arrays.asList("rlim_cur", "rlim_max"); } }
/** * getrlimit查询进程所受的系统限制。这些系统限制通过一对硬/软限制对来指定。 * 当一个软限制被超过时,进程还可以继续。另一方面,进程不可以超过它的硬限制。 * 软限制值可以被进程设置在位于0和最大硬限制间的任意值。硬限制值不能被任何进程降低,仅仅超级用户可以增加。 * * getrlimit和setrlimit都使用下面的数据结构: * * struct rlimit { * rlim_t rlim_cur; * rlim_t rlim_max; * }; * rlim_cur 为指定的资源指定当前的系统软限制。rlim_max 将为指定的资源指定当前的系统硬限制。 * @see:https://blog.****.net/sinkou/article/details/75143875 * @param resource * @param rlimit * @return */ static native int getrlimit(int resource, Rlimit rlimit); static native int setrlimit(int resource, Rlimit rlimit);
/** * 当linuc C api函数发生异常时,一般会将errno变量赋一个整数值,不同的值表示不同的含义,可以使用strerror()获取错误的信息。 * 例如errno等于12的话,它就会返回”Cannot allocate memory”。 * @param errno * @return */ static native String strerror(int errno);
private JNACLibrary() { }}
到这里,关于elasticsearch的mlockall配置及其与swap之间的关系就简单地介绍完了,更多关于JNA的使用请自行查阅相关类库或文档。
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Elasticsearch 源代码分析之四:JNA 和交换分析
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包婷婷 (201550484)作业一 统计软件简介与数据操作-SPSS(Statistical Product and Service Solutions),"统计产品与服务解决方案"软件。最初软件全称为"(SolutionsStatistical Package for the Social Sciences),但是随着SPSS产品服务领域的扩大和服务深度的增加,SPSS公司已于2000年正式将英文全称更改为"统计产品与服务解决方案",标志着SPSS的战略方向正在做出重大调整。为IBM公司推出的一系列用于统计学分析运算、数据挖掘、预测分析和决策支持任务的软件产品及相关服务的总称SPSS,有Windows和Mac OS X等版本。 1984年SPSS总部首先推出了世界上第一个统计分析软件微机版本SPSS/PC+,开创了SPSS微机系列产品的开发方向,极大地扩充了它的应用范围,并使其能很快地应用于自然科学、技术科学、社会科学的各个领域。世界上许多有影响的报刊杂志纷纷就SPSS的自动统计绘图、数据的深入分析、使用方便、功能齐全等方面给予了高度的评价。 R统计软件介绍 R是一套完整的数据处理、计算和制图软件系统。其功能包括:数据存储和处理系统;数组运算工具(其向量、矩阵运算方面功能尤其强大);完整连贯的统计分析工具;优秀的统计制图功能;简便而强大的编程语言:可操纵数据的输入和输出,可实现分支、循环,用户可自定义功能。 与其说R是一种统计软件,还不如说R是一种数学计算的环境,因为R并不是仅仅提供若干统计程序、使用者只需指定数据库和若干参数便可进行一个统计分析。R的思想是:它可以提供一些集成的统计工具,但更大量的是它提供各种数学计算、统计计算的函数,从而使使用者能灵活机动的进行数据分析,甚至创造出符合需要的新的统计计算方法。 该语言的语法表面上类似 C,但在语义上是函数设计语言(functional programming language)的变种并且和Lisp 以及 APL有很强的兼容性。特别的是,它允许在"语言上计算"(computing on the language)。这使得它可以把表达式作为函数的输入参数,而这种做法对统计模拟和绘图非常有用。 R是一个免费的*软件,它有UNIX、LINUX、MacOS和WINDOWS版本,都是可以免费下载和使用的。在R主页那儿可以下载到R的安装程序、各种外挂程序和文档。在R的安装程序中只包含了8个基础模块,其他外在模块可以通过CRAN获得。 二、R语言 R是用于统计分析、绘图的语言和操作环境。R是属于GNU系统的一个*、免费、源代码开放的软件,它是一个用于统计计算和统计制图的优秀工具。 R作为一种统计分析软件,是集统计分析与图形显示于一体的。它可以运行于UNIX,Windows和Macintosh的操作系统上,而且嵌入了一个非常方便实用的帮助系统,相比于其他统计分析软件,R还有以下特点: 1.R是*软件。这意味着它是完全免费,开放源代码的。可以在它的网站及其镜像中下载任何有关的安装程序、源代码、程序包及其源代码、文档资料。标准的安装文件身自身就带有许多模块和内嵌统计函数,安装好后可以直接实现许多常用的统计功能。[2] 2.R是一种可编程的语言。作为一个开放的统计编程环境,语法通俗易懂,很容易学会和掌握语言的语法。而且学会之后,我们可以编制自己的函数来扩展现有的语言。这也就是为什么它的更新速度比一般统计软件,如,SPSS,SAS等快得多。大多数最新的统计方法和技术都可以在R中直接得到。[2] 3. 所有R的函数和数据集是保存在程序包里面的。只有当一个包被载入时,它的内容才可以被访问。一些常用、基本的程序包已经被收入了标准安装文件中,随着新的统计分析方法的出现,标准安装文件中所包含的程序包也随着版本的更新而不断变化。在另外版安装文件中,已经包含的程序包有:base一R的基础模块、mle一极大似然估计模块、ts一时间序列分析模块、mva一多元统计分析模块、survival一生存分析模块等等.[2] 4.R具有很强的互动性。除了图形输出是在另外的窗口处,它的输入输出窗口都是在同一个窗口进行的,输入语法中如果出现错误会马上在窗口口中得到提示,对以前输入过的命令有记忆功能,可以随时再现、编辑修改以满足用户的需要。输出的图形可以直接保存为JPG,BMP,PNG等图片格式,还可以直接保存为PDF文件。另外,和其他编程语言和数据库之间有很好的接口。[2] 5.如果加入R的帮助邮件列表一,每天都可能会收到几十份关于R的邮件资讯。可以和全球一流的统计计算方面的专家讨论各种问题,可以说是全世界最大、最前沿的统计学家思维的聚集地.[2] R是基于S语言的一个GNU项目,所以也可以当作S语言的一种实现,通常用S语言编写的代码都可以不作修改的在R环境下运行。 R的语法是来自Scheme。R的使用与S-PLUS有很多类似之处,这两种语言有一定的兼容性。S-PLUS的使用手册,只要稍加修改就可作为R的使用手册。所以有人说:R,是S-PLUS的一个“克隆”。 但是请不要忘了:R是免费的(R is free)。R语言源代码托管在github,具体地址可以看参考资料。[3] 。 R语言的下载可以通过CRAN的镜像来查找。 R语言有域名为.cn的下载地址,有六个,其中两个由Datagurn,由 中国科学技术大学提供的。R语言Windows版,其中由两个下载地点是Datagurn和 USTC提供的。 三、stata Stata 是一套提供其使用者数据分析、数据管理以及绘制专业图表的完整及整合性统计软件。它提供许许多多功能,包含线性混合模型、均衡重复反复及多项式普罗比模式。用Stata绘制的统计图形相当精美。 新版本的STATA采用最具亲和力的窗口接口,使用者自行建立程序时,软件能提供具有直接命令式的语法。Stata提供完整的使用手册,包含统计样本建立、解释、模型与语法、文献等超过一万余页的出版品。 除此之外,Stata软件可以透过网络实时更新每天的最新功能,更可以得知世界各地的使用者对于STATA公司提出的问题与解决之道。使用者也可以透过Stata. Journal获得许许多多的相关讯息以及书籍介绍等。另外一个获取庞大资源的管道就是Statalist,它是一个独立的listserver,每月交替提供使用者超过1000个讯息以及50个程序。 四、PYTHON