.NET 4.0系列之

使用內(nèi)存映射文件實現(xiàn)進程通訊

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金旭亮

2009.8.12

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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。

圖 1 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 ：

FileStream fs = new FileStream("MyFile.dat", FileMode.Create,

FileAccess.ReadWrite);

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小！

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最大允許分配給內(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 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)：

FileStream fs =…; // 創(chuàng)建 FileStream 對象

MemoryMappedFile memoryFile=…; // 創(chuàng)建內(nèi)存映射文件

// 創(chuàng)建內(nèi)存映射文件訪問對象

MemoryMappedViewAccessor accessor=

memoryFile.CreateViewAccessor(0, 1024);

for (int i = 0; i < 1024; i+=2)

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（即方法的第一個參數(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 ）。

圖 2 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 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：

圖 3 示例項目 UseMMFBetweenProcess

兩個進程要交換的數(shù)據(jù)格式如下：

public struct MyStructure

{

public int IntValue

{ get; set; }

public float FloatValue

{ get; set; }

}

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。

public struct ErrorStruct

{

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

圖4 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：

[Serializable]

class MyPic

{

public Image pic; // 圖片

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：

// 創(chuàng)建或打開內(nèi)存映射文件

MemoryMappedFile memoryFile = MemoryMappedFile.CreateOrOpen(...);

// 創(chuàng)建內(nèi)存映射流

// 創(chuàng)建要在進程間交換的信息對象

MyPic obj =...;

// 向內(nèi)存映射流中序列化對象

IFormatter formatter = new BinaryFormatter();

stream.Seek(0, SeekOrigin.Begin);

formatter.Serialize(stream, obj);

請讀者自行閱讀源碼了解更多技術(shù)細節(jié)。

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