使用 boost::iostreams::mapped_file_source 和 std::multimap

Question

我要分析的数据量很大 - 每个文件大约有 5gigs。每个文件的格式如下：

xxxxx yyyyy

key和value都可以重复，但是key是按升序排列的。为此，我正在尝试使用内存映射文件，然后找到所需的键并使用它们。这是我写的：

if (data_file != "")
{
    clock_start = clock();
    data_file_mapped.open(data_file);

    data_multimap = (std::multimap<double, unsigned int> *)data_file_mapped.data();
    if (data_multimap != NULL)
    {
        std::multimap<double, unsigned int>::iterator it = data_multimap->find(keys_to_find[4]);
        if (it != data_multimap->end())
        {
            std::cout << "Element found.";
            for (std::multimap<double, unsigned int>::iterator it = data_multimap->lower_bound(keys_to_find[4]); it != data_multimap->upper_bound(keys_to_find[5]); ++it)
            {
                std::cout << it->second;
            }
            std::cout << "\n";
            clock_end = clock();

            std::cout << "Time taken to read in the file: " << (clock_end - clock_start)/CLOCKS_PER_SEC << "\n";
        }
        else
            std::cerr << "Element not found at all" << "\n";
    }
    else
        std::cerr << "Nope - no data received."<< "\n";
}

基本上，我需要定位键的范围并将这些块拉出来进行处理。我第一次尝试在多图上使用方法时遇到段错误。例如，当 find 方法被调用时。 upper_bound、lower_bound等方法也试过了，还是报错。

这就是 gdb 给我的：

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
_M_lower_bound (this=<optimized out>, __k=<optimized out>, __y=<optimized out>, __x=0xa31202030303833) at /usr/include/c++/4.9.2/bits/stl_tree.h:1261
1261            if (!_M_impl._M_key_compare(_S_key(__x), __k))

有人可以指出我做错了什么吗？我只能找到关于内存映射文件的简单示例 - 还没有这样的。谢谢。

编辑：更多信息：

我上面描述的文件基本上是一个两列的纯文本文件，神经模拟器给我作为我的模拟输出。很简单：

$ du -hsc 201501271755.e.ras 
4.9G    201501271755.e.ras
4.9G    total
$ head 201501271755.e.ras 
0.013800  0
0.013800  1
0.013800  10
0.013800  11
0.013800  12
0.013800  13
0.013800  14
0.013800  15
0.013800  16
0.013800  17

第一列是时间，第二列是此时激发的神经元——（这是一个尖峰时间光栅文件）。实际上，输出是来自每个 MPI 等级的文件，用于运行模拟。使用 sort -g -m 将各种文件合并到这个主文件中。有关文件格式的更多信息，请参见：http://www.fzenke.net/auryn/doku.php?id=manual:ras

为了计算在模拟的特定时间设置的神经元的放电率和其他指标，我需要 - 在文件中找到时间，在 [time -1,time] 和 [= 之间拉出一个块44=] 这个块上的一些指标等等。这个文件非常小，我希望随着我的模拟变得越来越复杂并且运行持续更长的时间，大小会增加很多。这就是我开始研究内存映射文件的原因。我希望这能在一定程度上澄清问题陈述。我只需要读取输出文件来处理它包含的信息。我根本不需要修改这个文件。

为了处理数据，我将再次使用多线程，但由于我在地图上的所有操作都是只读的，所以我不希望运行在那里遇到麻烦。

Answer 1

data_multimap = (std::multimap<double, unsigned int> *)data_file_mapped.data();，据我从 boost documentation 中读到的，你误解了那个函数，那个转换不起作用，你需要用 [提供的 char* 填充 multimap =11=]

我编辑添加更详细的内容，例如映射后，你可以做

std::getline(data_file_mapped, oneString);

然后，在线传递内容（您可以使用字符串流来完成该任务）并填充您的多图。

重复该过程直到文件结束。

Answer 2

多张地图未按顺序排列在内存中。（它们是基于节点的容器，但我离题了）。事实上，即使是，布局与文本输入匹配的可能性也很小。

基本上有两种方法可以完成这项工作：

继续使用 multimap 但使用自定义分配器（以便所有分配都在映射的内存区域中完成）。从高级 C++ 的角度来看，这是“最好的”，/但是/您需要将文件更改为二进制格式。

如果可以的话，这就是我的建议。 Boost Container + Boost Interprocess 拥有让这一切变得相对轻松所需的一切。

您编写了一个直接作用于映射数据的自定义容器“抽象”。你可以
- 从任何地方识别“xxxx yyyy”对（行结束？）或
- 为文件中所有行的开头建立索引。

使用这些，您可以设计一个交互器（Boost Iterator iterator_facade），您可以使用它来实现更高级别的操作（lower_bound、upper_bound 和 equal_range）。

有了这些之后，您基本上就可以将此内存映射作为只读键值数据库进行查询了。

遗憾的是，如果您还想支持变异操作（insert、remove），这种内存表示形式 对性能非常不利 。

如果您有文件的实际示例，我可以演示所描述的任何一种方法。

更新

快速样品：

使用 boost::interprocess 你可以（非常）简单地定义你想要的多图：

namespace shared {
    namespace bc = boost::container;

    template <typename T> using allocator = bip::allocator<T, bip::managed_mapped_file::segment_manager>;
    template <typename K, typename V>
        using multi_map = bc::flat_multimap<
            K, V, std::less<K>, 
            allocator<typename bc::flat_multimap<K, V>::value_type> >;
}

备注：

我选择了flatmap（实际上是flat_multimap）因为它可能更多存储效率高，与第二种方法相比更具可比性（如下所示）；

请注意，此选择会影响 iterator/reference 稳定性并将非常喜欢只读操作。如果你需要迭代器稳定性 and/or 许多变异操作，使用常规 map （或对于非常高的数量 hash_map) 而不是平坦变化。
我为这个演示选择了一个 managed_mapped_file 片段（所以你会得到持久性）。该演示显示了如何稀疏地预分配 10G，但只有实际分配的 space 在磁盘上使用。您同样可以使用 managed_shared_memory.

如果您有二进制持久性，您可能完全丢弃文本数据文件。
我使用 Boost Spirit 将文本数据从 mapped_file_source 解析为 shared::multi_map<double, unsigned>。该实现是完全通用的。
不用写iterator 类, start_of_line(), end_of_line(), lower_bound(), upper_bound() , equal_range() 或其中任何一个，因为它们已经是 multi_map 接口中的标准，所以我们只需要编写 main:

Live On Coliru

#define NDEBUG
#undef DEBUG
#include <boost/iostreams/device/mapped_file.hpp>
#include <boost/fusion/adapted/std_pair.hpp>
#include <boost/container/flat_map.hpp>
#include <boost/interprocess/managed_mapped_file.hpp>
#include <boost/spirit/include/qi.hpp>
#include <iomanip>

namespace bip = boost::interprocess;
namespace qi = boost::spirit::qi;

namespace shared {
    namespace bc = boost::container;

    template <typename T> using allocator = bip::allocator<T, bip::managed_mapped_file::segment_manager>;
    template <typename K, typename V>
        using multi_map = bc::flat_multimap<
            K, V, std::less<K>, 
            allocator<typename bc::flat_multimap<K, V>::value_type> >;
}

#include <iostream>

bip::managed_mapped_file msm(bip::open_or_create, "lookup.bin", 10ul<<30);

template <typename K, typename V>
shared::multi_map<K,V>& get_or_load(const char* fname) {
    using Map = shared::multi_map<K, V>;
    Map* lookup = msm.find_or_construct<Map>("lookup")(msm.get_segment_manager());

    if (lookup->empty()) { 
        // only read input file if not already loaded
        boost::iostreams::mapped_file_source input(fname);
        auto f(input.data()), l(f + input.size());

        bool ok = qi::phrase_parse(f, l,
                (qi::auto_ >> qi::auto_) % qi::eol >> *qi::eol, 
                qi::blank, *lookup);

        if (!ok || (f!=l))
            throw std::runtime_error("Error during parsing at position #" + std::to_string(f - input.data()));
    }

    return *lookup;
}

int main() {
    // parse text file into shared memory binary representation
    auto const& lookup = get_or_load<double, unsigned int>("input.txt");
    auto const e = lookup.end();

    for(auto&& line : lookup)
    {
        std::cout << line.first << "\t" << line.second << "\n";

        auto er = lookup.equal_range(line.first);

        if (er.first  != e) std::cout << " lower: " << er.first->first  << "\t" << er.first->second  << "\n";
        if (er.second != e) std::cout << " upper: " << er.second->first << "\t" << er.second->second << "\n";
    }
}

我完全按照我描述的方式实现了它：

映射原始 const char* 区域的简单容器；
使用 boost::iterator_facade 制作一个迭代器，在取消引用时解析文本；
用于打印我使用的输入行 boost::string_ref - 这避免了复制字符串的动态分配。

用灵气解析：

  if (!qi::phrase_parse(
              b, _data.end,
              qi::auto_ >> qi::auto_ >> qi::eoi,
              qi::space,
              _data.key, _data.value))

选择 Qi 是为了速度和通用性：您可以在实例化时选择 Key 和 Value 类型：

  text_multi_lookup<double, unsigned int> tml(map.data(), map.data() + map.size());

我已经实现了 lower_bound、upper_bound 和 equal_range 成员函数，它们利用了底层的连续存储。即使“线”iterator 不是随机访问而是双向的，我们仍然可以跳转到这样一个迭代器范围的 mid_point 因为我们可以从任何 [=38] 获得 start_of_line =] 进入底层映射区域。这使二进制搜索变得高效。

请注意，此解决方案在取消引用 iterator 时解析行。如果多次取消引用相同的行，这可能效率不高。

但是，对于不频繁的查找，或在输入数据的同一区域中不典型的查找，这将尽可能高效（仅进行最少需要的解析和 O(log n) 二进制搜索), 同时完全通过映射文件来绕过初始加载时间(没有访问意味着不需要加载任何东西)。

Live On Coliru（含测试数据）

#define NDEBUG
#undef DEBUG
#include <boost/iostreams/device/mapped_file.hpp>
#include <boost/utility/string_ref.hpp>
#include <boost/optional.hpp>
#include <boost/spirit/include/qi.hpp>
#include <thread>
#include <iomanip>

namespace io = boost::iostreams;
namespace qi = boost::spirit::qi;

template <typename Key, typename Value> 
struct text_multi_lookup {
    text_multi_lookup(char const* begin, char const* end)
        : _map_begin(begin), 
          _map_end(end)
    {
    }

  private:
    friend struct iterator;
    enum : char { nl = '\n' };

    using rawit = char const*;
    rawit _map_begin, _map_end;

    rawit start_of_line(rawit it) const {
        while (it > _map_begin) if (*--it == nl) return it+1;
        assert(it == _map_begin);
        return it;
    }

    rawit end_of_line(rawit it) const {
        while (it < _map_end) if (*it++ == nl) return it;
        assert(it == _map_end);
        return it;
    }

  public:
    struct value_type final {
        rawit beg, end;
        Key   key;
        Value value;

        boost::string_ref str() const { return { beg, size_t(end-beg) }; }
    };

    struct iterator : boost::iterator_facade<iterator, boost::string_ref, boost::bidirectional_traversal_tag, value_type> {

        iterator(text_multi_lookup const& d, rawit it) : _region(&d), _data { it, nullptr, Key{}, Value{} } { 
            assert(_data.beg == _region->start_of_line(_data.beg));
        }

      private:
        friend text_multi_lookup;

        text_multi_lookup const* _region;
        value_type mutable _data;

        void ensure_parsed() const {
            if (!_data.end) 
            {
                assert(_data.beg == _region->start_of_line(_data.beg));
                auto b = _data.beg;
                _data.end = _region->end_of_line(_data.beg);

                if (!qi::phrase_parse(
                            b, _data.end,
                            qi::auto_ >> qi::auto_ >> qi::eoi,
                            qi::space,
                            _data.key, _data.value)) 
                {
                    std::cerr << "Problem in: " << std::string(_data.beg, _data.end) 
                              << "at:         " << std::setw(_data.end-_data.beg) << std::right << std::string(_data.beg,_data.end);
                    assert(false);
                }
            }
        }

        static iterator mid_point(iterator const& a, iterator const& b) {
            assert(a._region == b._region);
            return { *a._region, a._region->start_of_line(a._data.beg + (b._data.beg -a._data.beg)/2) };
        }

      public:
        value_type const& dereference() const {
            ensure_parsed();
            return _data;
        }

        bool equal(iterator const& o) const {
            return (_region == o._region) && (_data.beg == o._data.beg);
        }

        void increment() {
            _data = { _region->end_of_line(_data.beg), nullptr, Key{}, Value{} };
            assert(_data.beg == _region->start_of_line(_data.beg));
        }
    };

    using const_iterator = iterator;

    const_iterator begin()  const { return { *this, _map_begin }; }
    const_iterator end()    const { return { *this, _map_end   }; }
    const_iterator cbegin() const { return { *this, _map_begin }; }
    const_iterator cend()   const { return { *this, _map_end   }; }

    template <typename CompatibleKey>
    const_iterator lower_bound(CompatibleKey const& key) const {
        auto f(begin()), l(end());
        while (f!=l) {
            auto m = iterator::mid_point(f,l);

            if (m->key < key) {
                f = m;
                ++f;
            }
            else {
                l = m;
            }
        }
        return f;
    }

    template <typename CompatibleKey>
    const_iterator upper_bound(CompatibleKey const& key) const {
        return upper_bound(key, begin());
    }

  private:
    template <typename CompatibleKey>
    const_iterator upper_bound(CompatibleKey const& key, const_iterator f) const {
        auto l(end());
        while (f!=l) {
            auto m = iterator::mid_point(f,l);

            if (key < m->key) {
                l = m;
            }
            else {
                f = m;
                ++f;
            }
        }
        return f;
    }

  public:
    template <typename CompatibleKey>
    std::pair<const_iterator, const_iterator> equal_range(CompatibleKey const& key) const {
        auto lb = lower_bound(key);
        return { lb, upper_bound(key, lb) };
    }

};

#include <iostream>

int main() {
    io::mapped_file_source map("input.txt");
    text_multi_lookup<double, unsigned int> tml(map.data(), map.data() + map.size());

    auto const e = tml.end();

    for(auto&& line : tml)
    {
        std::cout << line.str();

        auto er = tml.equal_range(line.key);

        if (er.first  != e) std::cout << " lower: " << er.first->str();
        if (er.second != e) std::cout << " upper: " << er.second->str();
    }
}

出于好奇：这是反汇编。请注意所有算法内容是如何直接内联到 main 中的：http://paste.ubuntu.com/9946135/

使用 boost::iostreams::mapped_file_source 和 std::multimap

Using boost::iostreams::mapped_file_source with std::multimap

c++

boost

memory-mapped-files

multimap

更新