使用Ring Buffer构建高性能的文件写入程序

最近常收到SOD框架的朋友报告的SOD的SQL日志功能报错：文件句柄丢失。经过分析得知，这些朋友使用SOD框架开发了访问量比较大的系统，由于忘记关闭SQL日志功能所以出现了很高频率的日志写入操作，从而偶然引起错误。后来我建议只记录出错的或者执行时间较长的SQL信息，暂时解决了此问题。但是作为一个热心造轮子的人，一定要看看能不能造一个更好的轮子出来。

前面说的错误原因已经很直白了，就是频繁的日志写入导致的，那么解决方案就是将多次写入操作合并成一次写入操作，并且采用异步写入方式。要保存多次操作的内容就要有一个类似“队列”的东西来保存，而一般的线程安全的队列，都是“有锁队列”，在性能要求很高的系统中，不希望在日志记录这个地方耗费多一点计算资源，所以最好有一个“无锁队列”，因此最佳方案就是Ring Buffer（环形缓冲区）了。

 什么是Ring Buffer?顾名思义，就是一个内存环，每一次读写操作都循环利用这个内存环，从而避免频繁分配和回收内存，减轻GC压力，同时由于Ring Buffer可以实现为无锁的队列，从而整体上大幅提高系统性能。Ring Buffer的示意图如下，有关具体原理，请参考此文《Ring Buffer 有什么特别? 》。

 

上文并没有详细说明如何具体读写Ring Buffer，但是原理介绍已经足够我们怎么写一个Ring Buffer程序了，接下来看看我在 .NET上的实现。

首先，定一个存放数据的数组，记住一定要用数组，它是实现Ring Buffer的关键并且CPU友好。

const int C_BUFFER_SIZE = 10;//写入次数缓冲区大小，每次的实际内容大小不固定
string[] RingBuffer = new string[C_BUFFER_SIZE];
int writedTimes = 0;

变量writedTimes 记录写入次数，它会一直递增，不过为了线程安全的递增且不使用托管锁，需要使用原子锁Interlocked。之后，根据每次 writedTimes 跟环形缓冲区的大小求余数，得到当前要写入的数组位置：

 void SaveFile(string fileName, string text)
 {
            int currP= Interlocked.Increment(ref writedTimes);
            int writeP= currP % C_BUFFER_SIZE ;
            int index = writeP == 0 ? C_BUFFER_SIZE - 1 : writeP - 1;
            RingBuffer[index] = " Arr[" + index + "]:" + text;
  }

Ring Buffer的核心代码就这么点，调用此方法，会一直往缓冲区写入数据而不会“溢出”，所以写入Ring Buffer效率很高。

一个队列如果只生产不消费肯定不行的，那么如何及时消费Ring Buffer的数据呢？简单的方案就是当Ring Buffer“写满”的时候一次性将数据“消费”掉。注意这里的“写满”仅仅是指写入位置 index达到了数组最大索引位置，而“消费”也不同于常见的堆栈，队列等数据结构，只是读取缓冲区的数据而不会移除它。

所以前面的代码只需要稍加改造：

 void SaveFile(string fileName, string text)
 {
            int currP= Interlocked.Increment(ref writedTimes);
            int writeP= currP % C_BUFFER_SIZE ;
            int index = writeP == 0 ? C_BUFFER_SIZE - 1 : writeP - 1;
            RingBuffer[index] = " Arr[" + index + "]:" + text;
            if (writeP == 0 )
            {
                 string result = string.Concat( RingBuffer);
                 FlushFile(fileName, result);
            }
  }

writeP == 0 表示当前一轮的缓冲区已经写满，然后调用函数 FlushFile 将Ring Buffer的数据连接起来，整体写入文件。

        void FlushFile(string fileName, string text)
        {
            using (FileStream fs = new FileStream(fileName, FileMode.Append, FileAccess.Write, FileShare.Write, 2048, FileOptions.Asynchronous))
            {
                byte[] buffer = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes(text);
                IAsyncResult writeResult = fs.BeginWrite(buffer, 0, buffer.Length,
                    (asyncResult) =>
                    {
                        fs.EndWrite(asyncResult);
                       
                    },
                    fs);
                //fs.EndWrite(writeResult);//这种方法异步起不到效果
                fs.Flush();
                
            }
        }

在函数 FlushFile 中我们使用了异步写入文件的技术，注意 FileOptions.Asynchronous ，使用它才可以真正利用Windows的完成端口IOCP，将文件异步写入。

当然这段代码也可以使用.NET最新版本支持的 async/await ,不过我要让SOD框架继续支持.NET 2.0，所以只好这样写了。

现在，我们可以开多线程来测试这个循环队列效果怎么样：

            Task[] arrTask = new Task[20];
            for (int i = 0; i < arrTask.Length; i++)
            {
                arrTask[i] = new Task(obj => SaveFile( (int)obj) ,i);
            }
            for (int i = 0; i < arrTask.Length; i++)
            {
                arrTask[i].Start();
            }
            
            Task.WaitAll(arrTask);
            MessageBox.Show(arrTask.Length +" Task All OK.");

这里开启20个Task任务线程来写入文件，运行此程序，发现20个线程才写入了10条数据，分析很久才发现，文件异步IO太快的话，会有缓冲区丢失，第一次写入的10条数据无法写入文件，多运行几次就没有问题了。所以还是得想法解决此问题。

通常情况下我们都是使用托管锁来解决这种并发问题，但本文的目的就是要实现一个“无锁环形缓冲区”，不能在此“功亏一篑”，所以此时“信号量”上场了。

同步可以分为锁定和信号同步，信号同步机制中涉及的类型都继承自抽象类WaitHandle，这些类型有EventWaitHandle（类型化为AutoResetEvent、ManualResetEvent）、Semaphore以及Mutex。见下图：

首先声明一个 ManualResetEvent对象：

ManualResetEvent ChangeEvent = new ManualResetEvent(true);

这里我们将 ManualResetEvent 对象设置成 “终止状态”，意味着程序一开始是允许所有线程不等待的，当我们需要消费Ring Buffer的时候再将  ManualResetEvent 设置成“非终止状态”，阻塞其它线程。简单说就是当要写文件的时候将环形缓冲区阻塞，直到文件写完才允许继续写入环形缓冲区。

对应的新的代码调整如下：

 void SaveFile(string fileName, string text)
 {
            ChangeEvent.WaitOne();
            int currP= Interlocked.Increment(ref writedTimes);
            int writeP= currP % C_BUFFER_SIZE ;
            int index = writeP == 0 ? C_BUFFER_SIZE - 1 : writeP - 1;
            RingBuffer[index] = " Arr[" + index + "]:" + text;
            if (writeP == 0 )
            {
                 ChangeEvent.Reset();
                 string result = string.Concat( RingBuffer);
                 FlushFile(fileName, result);
            }
  }

然后，再FlushFile 方法的 回掉方法中，加入设置终止状态的代码，部分代码如下：

(asyncResult) =>
                    {
                        fs.EndWrite(asyncResult);
                        ChangeEvent.Set();
                     }

OK，现在我们的程序具备高性能的安全的写入日志文件的功能了，我们来看看演示程序测试的日志结果实例：

 Arr[0]:Thread index:0--FFFFFFF
 Arr[1]:Thread index:1--FFFFFFF
 Arr[2]:Thread index:8--FFFFFFF
 Arr[3]:Thread index:9--FFFFFFF
 Arr[4]:Thread index:3--FFFFFFF
 Arr[5]:Thread index:2--FFFFFFF
 Arr[6]:Thread index:4--FFFFFFF
 Arr[7]:Thread index:10--FFFFFFF
 Arr[8]:Thread index:5--FFFFFFF
 Arr[9]:Thread index:6--FFFFFFF
 Arr[0]:Thread index:7--FFFFFFF
 Arr[1]:Thread index:11--FFFFFFF
 Arr[2]:Thread index:12--FFFFFFF
 Arr[3]:Thread index:13--FFFFFFF
 Arr[4]:Thread index:14--FFFFFFF
 Arr[5]:Thread index:15--FFFFFFF
 Arr[6]:Thread index:16--FFFFFFF
 Arr[7]:Thread index:17--FFFFFFF
 Arr[8]:Thread index:18--FFFFFFF
 Arr[9]:Thread index:19--FFFFFFF

测试结果符合预期！
到此，我们今天的主题就全部介绍完成了，不过要让本文的代码能够符合实际的运行，还要解决每次只写入少量数据并且将它定期写入日志文件的问题，这里贴出真正的局部代码：

PS：有朋友说采用信号量并不能完全保证程序安全，查阅了MSDN也说如果信号量状态改变还没有来得及应用，那么是起不到作用的，所以还需要检查业务状态标记，也就是在设置非终止状态后，马上设置一个操作标记，在其它线程中，需要检查此标记，以避免“漏网之鱼”引起不期望的结果。

再具体实现上，我们可以实现一个“自旋锁”，循环检查此状态标记，为了防止发生死锁，还需要有锁超时机制，代码如下：

 void SaveFile(string fileName, string text)
        {
            ChangeEvent.WaitOne(10000);
            int currP= Interlocked.Increment(ref WritedTimes);
            int writeP= currP % C_BUFFER_SIZE ;
            int index = writeP == 0 ? C_BUFFER_SIZE - 1 : writeP - 1;
           
            if (writeP == 0 )
            {
                ChangeEvent.Reset();
                IsReading = true;
                RingBuffer[index] = " Arr[" + index + "]:" + text;

                LastWriteTime = DateTime.Now;
                WritingIndex = 0;
                SaveFile(fileName,RingBuffer);
            }
            else if (DateTime.Now.Subtract(LastWriteTime).TotalSeconds > C_WRITE_TIMESPAN)
            {
                ChangeEvent.Reset();
                IsReading = true;
                RingBuffer[index] = " Arr[" + index + "]:" + text;

                int length = index - WritingIndex + 1;
                if (length <= 0)
                    length = 1;
                string[] newArr = new string[length];
                Array.Copy(RingBuffer, WritingIndex, newArr, 0, length);

                LastWriteTime = DateTime.Now;
                WritingIndex = index + 1;
                SaveFile(fileName, newArr);
            }
            else
            {
                //防止漏网之鱼的线程在信号量产生作用之前修改数据
                //采用“自旋锁”等待
                int count = 0;
                while (IsReading)
                {
                    if (count++ > 10000000)
                    {
                        Thread.Sleep(50);
                        break;
                    }
                }
                RingBuffer[index] = " Arr[" + index + "]:" + text;
            }
        }

完整的Ring Buffer代码会在最新版本的SOD框架源码中，有关本篇文章测试程序的完整源码，请加QQ群讨论获取，

群号码：SOD框架高级群 18215717 ，加群请注明 PDF.NET技术交流 ，否则可能被拒绝。