.NET 4.0系列之

使用內存映射文件實現進程通訊

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金旭亮

2009.8.12

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操作系統很早就開始使用內存映射文件（ Memory Mapped File ）來作為進程間的共享存儲區，這是一種非常高效的進程通訊手段。 Win32 API 中也包含有創建內存映射文件的函數，然而，這些函數都運行于非托管環境下，在 .NET 中只能通過平臺調用機制來使用它們，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的枚舉類型，從而使我們可以很方便地創建內存映射文件。

1 內存映射文件原理

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

圖 1 內存映射文件原理圖

在 .NET 中，使用 MemoryMappedFile 對象表示一個內存映射文件，通過它的 CreateFromFile() 方法根據磁盤現有文件創建內存映射文件，調用這一方法需要提供一個與磁盤現有文件相對應的 FileStream 對象。

以下示例代碼動態創建一個 MyFile.dat 文件，然后將其映射到系統內存中，設定容量為 1M ：

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

FileAccess.ReadWrite);

MemoryMappedFile memoryFile = MemoryMappedFile.CreateFromFile(fs, "MyFile", 1024*1024);

注意 用于創建內存映射文件的文件流必須是可讀寫的 。

擴充閱讀：

關 于內存映射文件的容量

默認情況下，在調用 MemoryMappedFile.CreateFromFile() 方法時如果不指定文件容量，那么，創建的內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，必須在創建內存映射文件時同時指定其容量。

在設定內存映射文件的容量時，其值不能小于磁盤文件的現有長度，但可以比它大。但要注意這將導致一個戲劇化的結果： 磁盤文件自動增長到聲明的容量大小！

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

當不再使用一個 MemoryMappedFile 對象時，注意應該及時地調用其 Dispose() 方法釋放它所占有的系統資源。因為 MemoryMappedFile 實際上對應著運行操作系統核心的核心對象，如果不及時關閉，會造成操作系統核心資源（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回收再利用。

另外，內存映射文件的容量其實是指最大允許分配給內存映射文件的內存存儲區字節數，并不意味著系統會馬上分配指定容量的內存。進程中訪問這塊映射到磁盤文件中的存儲區時，操作系統如果發現其內容還未裝入內存，就會從磁盤文件中裝入相應內容到內存中。因此，不用擔心聲明一個大的內存映射文件容量會導致內存的浪費。

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

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

以下示例代碼創建了一個 內存映射文件訪問對象并使用它寫入數據：

FileStream fs =…; // 創建 FileStream 對象

MemoryMappedFile memoryFile=…; // 創建內存映射文件

// 創建內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，在創建 內存映射文件訪問對象需要指定它所能訪問的 內存映射文件的內容范圍，這個“范圍”稱為“內存映射視圖（ Memory Mapped View ）”。可以將它與“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，我們只能在內存映射視圖所規定的范圍內存取內存映射文件。

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

當調用 內存映射視圖對象的 Write() 方法時，需要指明從哪個位置（即方法的第一個參數）開始寫入數據，并且需要計算清楚要寫入的數據占幾個字節，這樣，當寫入下一個數據時，就知道應該從哪個位置開始。

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

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

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

比較有趣的是，在同一個進程中可以針對同一個內存映射文件創建多個視圖對象，從而允許我們同時修改同一個文件的不同部分，在關閉視圖對象時由操作系統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 在同一進程內同時讀寫同一內存映射文件

示例項目 UseMMFInProcess 運行時會在程序的當前目錄下創建一個“ MyFile.dat ”文件，然后，創建了兩個內存映射視圖對象，分別向文件的前半部分和后半部分寫入不同的數據，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很基礎，請讀者自行查看源碼。

3 使用內存映射文件在進程間傳送值類型數據

在前面的例子中，內存映射文件直接與某個特定的磁盤文件相對應，事實上，我們也可以不用創建磁盤文件而直接使用 Windows 的分頁文件。這種方式是實現進程間互傳數據的典型方式。

調用 MemoryMappedFile.CreateNew() 或 MemoryMappedFile.CreateOrOpen() 方法可以在系統內存（ System Memory ）中直接創建一個內存映射文件，這個內存映射文件所對應的“物理文件”是 Windows 的系統分頁文件。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() 方法始終是新創建一個內存映射文件。

擴充閱讀：

Windows 的系統分頁文件和休眠文件

默認情況下，在安裝 Windows 的分區根目錄下，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，用于保存從物理內存中換出的內存頁，我們可以用它的一部分來創建內存映射文件。后者（ hiberfil.sys ）則是“系統休眠”文件，當 Windows 啟用了休眠功能時，就會在硬盤上找到這個文件，它的內容是系統休眠時物理內存中的數據，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上次工作的狀態。

內存映射文件創建好以后，可以如同前面介紹的方法一樣創建視圖對象，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存映射文件交換數據。示例 UseMMFBetweenProcess 展示了在兩個進程間相互交換一個結構體變量的情況：

圖 3 示例項目 UseMMFBetweenProcess

兩個進程要交換的數據格式如下：

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在本進程的文本框中。

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

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

例如，以下結構體將無法寫入到內存映射文件中，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不能是引用類型，其道理非常簡單，如果結構體中的某個成員是引用類型，那么在程序運行時，計算機無法知道應該向內存映射文件中寫入多少個字節，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據，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（只要內存映射文件有足夠的容量）。請看下一小節的示例 UseMMFBetweenProcess2 。

4 利用序列化技術通過內存映射文件實現進程通訊

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據對象，并且它附加了可序列化“ [Serializable] ”的代碼屬性。

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

// 創建或打開內存映射文件

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

// 創建內存映射流

// 創建要在進程間交換的信息對象

MyPic obj =...;

// 向內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細節。

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