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.NET內(nèi)存映射文件原理、創(chuàng)建及進程通訊

開發(fā) 后端
本文介紹了.NET內(nèi)存映射文件的原理、創(chuàng)建以及實現(xiàn)進程通訊的方法。NET 4.0新增加了一個System.IO. MemoryMappedFiles命名空間,其中添加了幾個類和相應(yīng)的枚舉類型,從而使我們可以很方便地創(chuàng)建內(nèi)存映射文件。

操作系統(tǒng)很早就開始使用內(nèi)存映射文件(Memory Mapped File)來作為進程間的共享存儲區(qū),這是一種非常高效的進程通訊手段。Win32 API中也包含有創(chuàng)建內(nèi)存映射文件的函數(shù),然而,這些函數(shù)都運行于非托管環(huán)境下,在.NET中只能通過平臺調(diào)用機制來使用它們,用起來很不方便。幸運的是,.NET 4.0新增加了一個System.IO. MemoryMappedFiles命名空間,其中添加了幾個類和相應(yīng)的枚舉類型,從而使我們可以很方便地創(chuàng)建內(nèi)存映射文件。

1 內(nèi)存映射文件原理

所謂內(nèi)存映射文件,其實就是在內(nèi)存中開辟出一塊存放數(shù)據(jù)的專用區(qū)域,這區(qū)域往往與硬盤上特定的文件相對應(yīng)。進程將這塊內(nèi)存區(qū)域映射到自己的地址空間中,訪問它就象是訪問普通的內(nèi)存一樣。

內(nèi)存映射文件原理圖 

圖 1 .NET內(nèi)存映射文件原理圖

在.NET中,使用MemoryMappedFile對象表示一個內(nèi)存映射文件,通過它的CreateFromFile()方法根據(jù)磁盤現(xiàn)有文件創(chuàng)建內(nèi)存映射文件,調(diào)用這一方法需要提供一個與磁盤現(xiàn)有文件相對應(yīng)的FileStream對象。

以下示例代碼動態(tài)創(chuàng)建一個MyFile.dat文件,然后將其映射到系統(tǒng)內(nèi)存中,設(shè)定容量為1M:

  1. FileStream fs = new FileStream("MyFile.dat", FileMode.Create,  
  2. FileAccess.ReadWrite);  
  3. MemoryMappedFile memoryFile = MemoryMappedFile.CreateFromFile(fs, "MyFile", 1024*1024); 

注意用于創(chuàng)建內(nèi)存映射文件的文件流必須是可讀寫的。

擴充閱讀:

關(guān)于內(nèi)存映射文件的容量

默認情況下,在調(diào)用MemoryMappedFile.CreateFromFile()方法時如果不指定文件容量,那么,創(chuàng)建的內(nèi)存映射文件的容量等同于文件的大小。

在上面的示例代碼中,由于磁盤文件是臨時生成的,其長度為0,所以,必須在創(chuàng)建內(nèi)存映射文件時同時指定其容量。

在設(shè)定內(nèi)存映射文件的容量時,其值不能小于磁盤文件的現(xiàn)有長度,但可以比它大。但要注意這將導(dǎo)致一個戲劇化的結(jié)果:磁盤文件自動增長到聲明的容量大?。?/FONT>

可以多次調(diào)用MemoryMappedFile.CreateFromFile(),每次傳給它一個更大的容量數(shù)值以不斷擴充磁盤文件的大小。

當(dāng)不再使用一個MemoryMappedFile對象時,注意應(yīng)該及時地調(diào)用其Dispose()方法釋放它所占有的系統(tǒng)資源。因為MemoryMappedFile實際上對應(yīng)著運行操作系統(tǒng)核心的核心對象,如果不及時關(guān)閉,會造成操作系統(tǒng)核心資源(比如句柄)的浪費,要等到MemoryMappedFile對象被CLR垃圾回收,或者整個進程中止時,這些資源才會被操作系統(tǒng)回收再利用。

另外,內(nèi)存映射文件的容量其實是指***允許分配給內(nèi)存映射文件的內(nèi)存存儲區(qū)字節(jié)數(shù),并不意味著系統(tǒng)會馬上分配指定容量的內(nèi)存。進程中訪問這塊映射到磁盤文件中的存儲區(qū)時,操作系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)其內(nèi)容還未裝入內(nèi)存,就會從磁盤文件中裝入相應(yīng)內(nèi)容到內(nèi)存中。因此,不用擔(dān)心聲明一個大的內(nèi)存映射文件容量會導(dǎo)致內(nèi)存的浪費。

當(dāng)MemoryMappedFile對象創(chuàng)建之后,我們并不能直接對其進行讀寫,必須通過一個MemoryMappedViewAccessor對象來訪問這個內(nèi)存映射文件。

MemoryMappedFile. CreateViewAccessor()方法可以創(chuàng)建MemoryMappedViewAccessor對象,而此對象提供了一系列讀寫的方法,用于向內(nèi)存映射文件中讀取和寫入數(shù)據(jù)。

以下示例代碼創(chuàng)建了一個內(nèi)存映射文件訪問對象并使用它寫入數(shù)據(jù):

  1. FileStream fs =…;  //創(chuàng)建FileStream對象  
  2. MemoryMappedFile memoryFile=…;  //創(chuàng)建內(nèi)存映射文件  
  3. //創(chuàng)建內(nèi)存映射文件訪問對象  
  4. MemoryMappedViewAccessor accessor=  
  5. memoryFile.CreateViewAccessor(0, 1024);  
  6. for (int i = 0; i < 1024; i+=2)  
  7. accessor.Write(i, ‘c’);  

上述代碼中要注意,在創(chuàng)建內(nèi)存映射文件訪問對象需要指定它所能訪問的內(nèi)存映射文件的內(nèi)容范圍,這個“范圍”稱為“內(nèi)存映射視圖(Memory Mapped View)”??梢詫⑺c“放大鏡”類比,當(dāng)使用一個放大鏡閱讀書籍時,一次只能放大指定部分的文字。類似地,我們只能在內(nèi)存映射視圖所規(guī)定的范圍內(nèi)存取內(nèi)存映射文件。

在上述代碼中,我們看到內(nèi)存映射視圖對象accessor只提取了內(nèi)存映射文件開頭1024個字節(jié)的內(nèi)容,然后,向其中寫入了512個“c”字符。

當(dāng)調(diào)用內(nèi)存映射視圖對象的Write()方法時,需要指明從哪個位置(即方法的***個參數(shù))開始寫入數(shù)據(jù),并且需要計算清楚要寫入的數(shù)據(jù)占幾個字節(jié),這樣,當(dāng)寫入下一個數(shù)據(jù)時,就知道應(yīng)該從哪個位置開始。

注意,Write()方法中的位置是相對視圖對象而非內(nèi)存映射文件本身,因此,此位置數(shù)值再加上視圖距內(nèi)存映射文件開頭的位置數(shù)據(jù)才是寫入的數(shù)據(jù)在文件中的真實位置。

Write()方法有多個重載形式,可以向內(nèi)存映射文件中寫入多種類型的數(shù)據(jù),但要注意計算清楚其寫入的位置,避免造成數(shù)據(jù)覆蓋問題。

類似地,內(nèi)存映射視圖對象提供了多個重載的Read()方法,可以從內(nèi)存映射文件中讀取數(shù)據(jù)。

比較有趣的是,在同一個進程中可以針對同一個內(nèi)存映射文件創(chuàng)建多個視圖對象,從而允許我們同時修改同一個文件的不同部分,在關(guān)閉視圖對象時由操作系統(tǒng)保證將所有修改都寫回到原始文件中。

下面我們來看一個示例。

2 在同一進程內(nèi)同時讀寫同一內(nèi)存映射文件

示例項目UseMMFInProcess運行時會在程序的當(dāng)前目錄下創(chuàng)建一個“MyFile.dat”文件,然后,創(chuàng)建了兩個內(nèi)存映射視圖對象,分別向文件的前半部分和后半部分寫入不同的數(shù)據(jù),然后再從中讀出來(圖 2)。

示例項目UseMMFInProcess 

圖 2 .NET內(nèi)存映射文件示例項目UseMMFInProcess

這個示例展示的技術(shù)很基礎(chǔ),請讀者自行查看源碼。

3 使用內(nèi)存映射文件在進程間傳送值類型數(shù)據(jù)

在前面的例子中,內(nèi)存映射文件直接與某個特定的磁盤文件相對應(yīng),事實上,我們也可以不用創(chuàng)建磁盤文件而直接使用Windows的分頁文件。這種方式是實現(xiàn)進程間互傳數(shù)據(jù)的典型方式。

調(diào)用MemoryMappedFile.CreateNew()或MemoryMappedFile.CreateOrOpen()方法可以在系統(tǒng)內(nèi)存(System Memory)中直接創(chuàng)建一個內(nèi)存映射文件,這個內(nèi)存映射文件所對應(yīng)的“物理文件”是Windows的系統(tǒng)分頁文件。兩個方法都需要給映射文件指定一個唯一的名稱。不同之處在于CreateOrOpen ()方法在指定名稱的映射文件存在時就直接將其返回給進程,而CreateNew()方法始終是新創(chuàng)建一個內(nèi)存映射文件。

擴充閱讀:

Windows的系統(tǒng)分頁文件和休眠文件

默認情況下,在安裝Windows的分區(qū)根目錄下,會找到兩個具有“隱藏”屬性的pagefile.sys和hiberfil.sys文件,前者(pagefile.sys)就是Windows的分頁文件,用于保存從物理內(nèi)存中換出的內(nèi)存頁,我們可以用它的一部分來創(chuàng)建內(nèi)存映射文件。后者(hiberfil.sys)則是“系統(tǒng)休眠”文件,當(dāng)Windows啟用了休眠功能時,就會在硬盤上找到這個文件,它的內(nèi)容是系統(tǒng)休眠時物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù),當(dāng)計算機從休眠中“醒”過來時,通過從此文件中加載信息以恢復(fù)上次工作的狀態(tài)。

內(nèi)存映射文件創(chuàng)建好以后,可以如同前面介紹的方法一樣創(chuàng)建視圖對象,然后使用Read和Write系列方法存取。

只要指定同一個名字,那么,多個進程就可以使用同一個內(nèi)存映射文件交換數(shù)據(jù)。示例UseMMFBetweenProcess展示了在兩個進程間相互交換一個結(jié)構(gòu)體變量的情況:

示例項目UseMMFBetweenProcess 

圖 3 .NET內(nèi)存映射文件示例項目UseMMFBetweenProcess

兩個進程要交換的數(shù)據(jù)格式如下:

  1. public struct MyStructure  
  2. {  
  3.  public int IntValue  
  4.  {  get;  set;   }  
  5.  public float FloatValue  
  6.  {  get;  set;   }  
  7. }  

啟動UseMMFBetweenProcess程序的兩個實例,在其中一個窗體上輸入兩個數(shù)字之后,點擊“保存”按鈕,然后在另一個進程的窗體上點擊“提取”,可以看到另一個進程寫入的信息出現(xiàn)在本進程的文本框中。

示例程序采用MemoryMappedFile.CreateOrOpen()方法創(chuàng)建或打開一個內(nèi)存映射文件,然后調(diào)用MemoryMappedViewAccessor類的泛型方法Write<T>()和Read<T>()向內(nèi)存映射文件中寫入和讀取數(shù)據(jù)。

注意,泛型方法Write<T>()和Read<T>()中的泛型參數(shù)T必須是值類型(比如整型int和結(jié)構(gòu)體struct),特別地,對于用戶自定義的結(jié)構(gòu)體,要求其成員也必須是值類型。

例如,以下結(jié)構(gòu)體將無法寫入到內(nèi)存映射文件中,因為其成員Info是string類型的,這是一個引用類型。

  1. public struct ErrorStruct  
  2. {  
  3.  public string Info;  

之所以要求泛型參數(shù)不能是引用類型,其道理非常簡單,如果結(jié)構(gòu)體中的某個成員是引用類型,那么在程序運行時,計算機無法知道應(yīng)該向內(nèi)存映射文件中寫入多少個字節(jié),因為引用類型的變量所引用的對象位于托管堆中,其占用存儲空間的大小不經(jīng)過計算是難以確定的,而完成這個計算工作將花費不少的系統(tǒng)資源(想想一個對象可能又會引用到另一個對象就明白了),這會嚴(yán)重影響內(nèi)存映射文件讀寫操作效率。

兩個進程不能交換引用類型的數(shù)據(jù),這個限制似乎還不小,但事實上,我們完成可以通過對象序列化技術(shù)來突破這個限制,在兩個進程間交換任意大小的對象(只要內(nèi)存映射文件有足夠的容量)。請看下一小節(jié)的示例UseMMFBetweenProcess2。

4 利用序列化技術(shù)通過內(nèi)存映射文件實現(xiàn)進程通訊

示例:UseMMFBetweenProcess2 

圖4  .NET內(nèi)存映射文件示例:UseMMFBetweenProcess2

如圖 4所示,運行示例程序的多個實例,加載圖片并輸入圖片說明,點擊相應(yīng)按鈕后,可以在多個進程間直接交換以下格式的信息:

  1. [Serializable]  
  2. class MyPic  
  3. {  
  4.  public Image pic;//圖片  
  5.  public string picInfo;  //圖片信息說明  

請注意這是一個引用類型的數(shù)據(jù)對象,并且它附加了可序列化“[Serializable]”的代碼屬性。

如果要向內(nèi)存映射文件中序列化對象,必須將內(nèi)存映射文件轉(zhuǎn)換為可順序讀取的流。幸運的是,MemoryMappedFile類的CreateViewStream()方法可以創(chuàng)建一個MemoryMappedViewStream對象,通過它即可序列化對象,其代碼框架如下:

  1. //創(chuàng)建或打開內(nèi)存映射文件  
  2. MemoryMappedFile memoryFile = MemoryMappedFile.CreateOrOpen(...);  
  3. //創(chuàng)建內(nèi)存映射流  
  4. MemoryMappedViewStream stream = memoryFile.CreateViewStream();  
  5. //創(chuàng)建要在進程間交換的信息對象  
  6. MyPic obj =...;  
  7. //向內(nèi)存映射流中序列化對象  
  8. IFormatter formatter = new BinaryFormatter();  
  9. stream.Seek(0, SeekOrigin.Begin);  
  10. formatter.Serialize(stream, obj); 

本文來自bitfan(數(shù)字世界一凡人)的專欄:《.NET 4.0中使用內(nèi)存映射文件實現(xiàn)進程通訊》。

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責(zé)任編輯:yangsai 來源: bitfan的專欄
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