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新兴XML处理方法VTD-XML介绍

来源:建站吧 责任编辑:Jzq8 发表时间:2011-12-09 点击:

序言

本文所提及的VTD-并非本文作者原创,作者只是对它进行介绍。

问题

通常当我们提起XML的使用时,最头痛的部分便是XML的verbosity与XML的解析速度,当需要处理大XML文件时这个问题便变得格外严重。我在这里提及的,便是如何优化XML处理速度的话题。

当我们选择处理XML文件的时候,我们大致上有两种选择:

DOM,这是W3C的标准模型,它将XML的结构信息以树形的方式构建,提供了遍历这颗树的接口与方法。
SAX,一种低级的parser,逐元素的向前只读处理,不含有结构信息。
以上两种选择都各有利弊,但是都不是特别好的解决方案,它们的优缺点如下:

DOM

优点:易用性强,因为所有的XML结构信息都存在于内存中,并且遍历简单,支持XPath。
缺点:Parsing速度太慢,内存占用过高(原文件的5x~10x),对于大文件来说几乎不可能使用。
SAX

优点:Parsing速度快,内存占用不与XML的大小相联系(可以做到XML涨内存不涨)。
缺点:易用性差,因为没有结构信息,并且无法遍历,不支持XPath。如果需要结构的话只能读一点构造一点,这样的可维护性特别的差。
我们可以看出,基本上DOM与SAX是正好相反的两个极端,但是任何一个都不能很好的满足我们的大部分要求,我们需要找出另外一种处理方法来。注意XML的效率问题并不是XML本身的问题,而是处理XML的Parser的问题,就像我们在上面看到的两种方法有不同的效率权衡一样。

思考

我们很喜欢类似DOM的使用方法,因为我们可以遍历,这意味着可以支持XPath,大大增强了易用性,但是DOM的效率很低。就像我们已经知道,效率问题出在处理机制上。那么,DOM到底有哪些方面影响了它的效率呢?下面让我们来做一个全面的解剖:

在当今大多数基于虚拟机(托管,或任何类似机制)技术的平台下,对象的创建销毁是一个耗时的作业(这里值得主要是Garbage Collection的耗时),DOM机制中所运用的大量的对象创建销毁无疑是影响其效率的原因之一(会引发过多的Garbage Collection)。
每个对象都会额外有32bits用来存储它的内存地址,当像DOM一样拥有大量对象的时候这个额外开支也是不小的。
引起以上两个问题的最主要的效率问题在于,DOM与SAX都是extractive parsing模式,这种解析模式注定了DOM与SAX都需要大量的创建(销毁)对象,引起效率问题。所谓的extractive parsing就是说在解析XML时,DOM或SAX会提取一部分原文件(一般来说是一个字符串),然后在内存中进行解析构建(输出自然就是一个或一些对象了)。拿DOM这个例子来说,DOM会将每一个element, attribute, ocessing-instruction, comment等等都解析成对象并给与结构,这就是所谓的extractive parsing。
由extractive的问题带来的另一个问题便是更新效率,在DOM中(SAX因为不支持更新所以根本不提它),每一次需要做改动时,我们要做的就是将对象的信息再解析回XML的字符串,注意这个解析是个完整的解析,也就是说,原文件并没有被利用,而是直接将DOM模型重新完整解析成XML字符串。换句话讲,也就是DOM并不支持Incremental Update(增量更新)。
另一个很可能不被注意到的“小”问题便是XML的编码,无论是何种解析方法都需要能够处理XML的编码,也就是说,在读取的时候解码,在写入的时候编码。DOM的另一个效率问题便是当我对于一个大XML只想做很小的一块儿修改的时候它也必须首先将整个文件进行解码,然后构建结构。无形中又是一个开销。
让我们来总结一下问题,简单的讲DOM的效率问题主要出在它的extractive parsing模式上(SAX也是一样,有同样的问题),由此引发了一系列相关问题,如果可以击破这些效率瓶颈的话那么可以想象XML的处理效率将进一步的得到提高。如果XML的易用性与处理效率得到飞跃性的提高的话,那么XML的应用范围,应用模式将得到更一步的升华,或许由此可以产生出许许多多精彩的以前连想都没有想过的基于XML的产品来。

出路

VTD-XML便是对以上问题的思考后给出的答案,它是一个non-extractive XML parser,由于它出色的机制,很好的解决(避免)了上面所提出的各种问题,并且还“顺便”带来了non-extractive的其他好处,像快速的解析与遍历、XPath的支持、Incremental Update等等。我这里有一组数据,取自于VTD-XML的官方网站:

VTD-XML的解析速度是SAX(with NULL content handler)的1.5x~2.0x。With NULL content handler的意思就是说SAX解析中没有插入任何额外的处理逻辑,也就是SAX的最高速度。
VTD-XML的内存占用是原XML的1.3x~1.5x(其中1.0x的部分是原XML,0.3x~0.5x是VTD-XML占用的部分),而DOM的内存占用则是原XML的5x~10x。举一个例子,如果一个XML的大小是50MB,那么用VTD-XML读取进来内存占用会在65MB~75MB之间,而DOM的内存占用则会在250M~500MB之间。基于这个数据用DOM处理大的XML文件几乎是不可能的选择。
你可能会觉得不可思议,真的可以做出比DOM易用性还好,比SAX还快的XML解析器吗?别急着下定论,还是来看看VTD-XML的原理吧!

基本原理

就像大多数好的产品一样,VTD-XML的原理并不复杂,而是很巧妙。为了实现non-extractive这个目的,它将原XML文件原封不动的以二进制的方式读进内存,连解码都不做,然后在这个byte数组上解析每个element的位置并把一些信息记录下来,之后的遍历操作便在这些保存下来的record上进行,如果需要提取XML内容就利用record中的位置等信息在原始byte数组上进行解码并返回字符串。这一切看起来都很简单,但是,这个简单的过程确有多个性能细节在里边,并且隐藏了若干个潜在的能力。下面我们首先来描述一下各个性能细节:

为了避免过多的对象创建,VTD-XML决定采用原始的数值类型作为record的类型,这样就可以不必用heap。VTD-XML的record机制就叫做VTD(Virtual Token Descrtor),VTD将性能瓶颈在tokenization阶段就解决掉了真的是很巧妙很用心的做法。VTD是一个64bits长度的数值类型,记录了每个element的起始位置(offset),长度(length),深度(depth)以及token的类型(type)等信息。
注意VTD是固定长度的(官方决定用64bits),这样做的目的就是为了提高性能,因为长度固定,在读取,查询等操作的时候格外的高效(O(1)),也就是可以用数组这种高效的结构来组织VTD大大减少了因为大量使用对象而产生的性能问题。
VTD的超能力(一点都不夸张地说)就在于它能够将XML这种树形的数据结构简单的变换成对一个byte数组的操作,任何你能想象到的对于byte数组的操作都可以应用在XML上了。这是因为读取进来的XML是二进制的(byte数组),而VTD则记录了每个element的位置等访问用信息,当我们找到要操作的VTD的时候,只要用offset与length等信息就可以对原始byte数组进行任何操作,或者可以直接对VTD进行操作。举例来说,我想在一个大XML中找出一个element并删除它,那么我只需要找到这个element的VTD(遍历方法稍候再讲),将这个VTD从VTD数组中删除,然后再利用所有的VTD写出到另一个byte数组中就可以了,因为删除的VTD标明了要删除的element的位置,所以在新写入的byte数组中就不会出现这段element了,用VTD写入新的byte数组实际上就是一个byte数组的拷贝,其效率相当的高,这就是所谓的增量更新(incremental update)。
关于VTD-XML的遍历方式,它采用了LC (Location Cache),简单地说就是将VTD以其深度作为标准构建的一个树形的表结构。LC的entry也是64bits长的数值类型,前32bits代表一个VTD的索引(index),后32bits代表了这个VTD的第一个child的索引。利用这些信息就可以计算出任何一个你想要到达的位置了,关于具体的遍历方法请参看官方网站的文章。基于这种遍历方式的VTD-XML有与DOM不同的操作接口,这是可以理解的,并且,VTD-XML的这种遍历方式可以在最少的几步内将你带到你所需要的地方去,遍历的性能十分突出。

总结

就像你上面看到的,VTD-XML有着迷人的特性,而如今的1.5版本中已经加入了XPath的支持(只要可以遍历,就可以支持XPath,这是早晚的事:-)),它的实用性已经超越了当今我们所想象的范围了。另一个VTD-XML的超能力,就是基于它现在的处理方式,完全可以支持将来的Binary XML标准,并通过Binary化将XML的应用推向更高一层楼!这也是我目前所期待的!:-)

不过,VTD-XML仍然有许多需要改进与完善的地方,这方面值得我们努力与探讨。

顺便提一下,VTD-XML是开源项目(GPL),目前有、C两种平台支持。如果你想在.NET试一试的话建议你使用IKVM(BSD style license)将VTD-XML转换成.NET程序集,相信你会喜欢上它的!;-)

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