關於 Shared Memory 的兩三事

參與古老系統的搬遷工程,其中使用 Shared Memory 實現跨 Process 溝通(例如:ASP.NET 呼叫 Window Service),也因而被迫了解這門對 .NET 開發者偏冷門的技術,特筆記備忘。

【Shared Memory 是什麼?】

跨 Process 溝通有個術語,Interprocess Communictaion(IPC),在 Windows 平台有以下選擇:參考

  • Clipboard
    程式 A 將内容貼進剪貼簿,程式 B 自剪貼簿取出内容。
  • COM
    OLE 複合文件(Compound Document)讓 Word 文件可以內嵌 Excel 工作表,點兩下還能叫出 Excel 進行編輯, OLE 的基礎為 COM 元件技術。
  • Data Copy
    程序 A 向程式 B 依約定的格式内容傳送 WM_COPYDATA 訊息
  • DDE
    DDE 是一種允許不同應用程式交換不同格式資料的通訊協定,可視為剪貼簿的沿伸,除了一次性抛轉,還能持續傳輸資料。(效能相對差,已不建議使用)
  • File Mapping
    File Mapping 意指將檔案模擬成 Process 中的一塊記憶體,當多個應用程式間透過共用 File Mapping 交換資料,稱之為 Named Shared Memory,在各種 IPC 方法中效能最佳,但必須透過 Mutex 等同步機制防止讀寫衝突。
  • Mailslots
    單向溝通,Mailslot Client 送訊息給 Mailslot Server,訊息在 Server 讀取後删除,支援跨機器傳送,還可一對多廣播。(廣播訊息長度限制 400 bytes,一對一傳輸時訊息長度則由 Mailslot Server 建立時決定)
  • Pipes
    雙向傳輸,分為 Anonymous Pipe 及 Named Pipe。Anonymous Pipe 一般用於父程序與子程序間的標準輸入/輸出導向,雙向溝通要建兩條 Pipe,不能跨網路且限於有從屬關係的 Process;Named Pipe 則可用於任意 Process 間交換資料,並支援跨網路 Process 間傳輸。
  • RPC
    Remote Procedure Call(RPC) 允許應用程式呼叫其他應用程式提供的函式功能,並可跨網路呼叫。Windows RPC 符合 ISO DCE 標準,支援跨作業系統系統整合。
  • Windows Sockets
    基於 TCP/IP 或其他網路協定制訂的抽象通訊介面,底層透過網路連線進行資料交換。

Shared Memory 是 C/C++ 開發者常用的資料交換方式( Google 可以查到很多在 Linux 用 Shared Memory 實現 IPC 的範例),故 C/C++ 開發者在 Windows 平台也常選擇它做為溝通管道。

【Shared Memory 實作練習】

雖然用的人較少,但 .NET 內建 System.IO.MemoryMappedFiles 命名空間,要玩 Shared Memory 不是難事,幾乎跟操作檔案沒什麼兩樣,只要有 FileStream 相關操作經驗很快就上手,參考 MSDN 範例,我寫了小程式練習。

我寫了兩隻程式,ProcessA 透過 MemoryMappedFile.CreateNew() 建立大小為 1024 Bytes 的空間,與另一隻 ProcessB 練習傳接球。由於 1024 Bytes 兩隻程式共用,我將前 512 規劃為 ProcessA 寫入 ProcessB 讀取,後 512 則是 ProcessB 寫 ProcessA 讀,程式中使用 CreateViewStream 傳入起始位址及長度指向自己專屬的區域。為了避免 ProcessA 及 ProcessB 存取 MemoryMappedFile 時出現讀寫衝突,我使用 Mutex 鎖定控管單一時間只有一個 Process 可以存取 MemoryMappedFile。測試過程為 ProcessA 建立 MemoryMappedFile,寫入訊息字串 –> ProcessB 讀取訊息字串並寫入回應字串 –> ProcessA 讀取回應字串,結束。

ProcessA 程式如下:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
using System.IO.MemoryMappedFiles;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
 
namespace ProcessA
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            //REF: https://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd267552(v=vs.110).aspx
            using (MemoryMappedFile mmf = MemoryMappedFile.CreateNew("DARKTHREAD", 1024))
            {
                bool mutexCreated;
                Mutex mutex = new Mutex(true, "DarkthreadSharedMem", out mutexCreated);
                using (var stream = mmf.CreateViewStream()) {
                    byte[] msg = Encoding.UTF8.GetBytes("Hello, World!");
                    using (BinaryWriter bw = new BinaryWriter(stream))
                    {
                        bw.Write(msg.Length); //先寫Length
                        bw.Write(msg); //再寫byte[]
                    }
                }
                mutex.ReleaseMutex();
                Console.Write("操作 Process B 進行讀取及回應,完成後按Enter");
                Console.ReadLine();
 
                mutex.WaitOne();
                using (MemoryMappedViewStream stream = mmf.CreateViewStream(512, 512))
                {
                    using (var br = new BinaryReader(stream))
                    {
                        //先讀取長度,再讀取内容
                        var len = br.ReadInt32();
                        var msg = Encoding.UTF8.GetString(br.ReadBytes(len), 0, len);
                        Console.WriteLine($"回應={msg}");
                    }
                }
                mutex.ReleaseMutex();
                Console.ReadLine();
            }
        }
    }
}

ProcessB 程式如下:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.IO;
using System.IO.MemoryMappedFiles;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading;
 
namespace ProcessB
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            try
            {
                Console.Write("按 Enter 開始讀取及回應…");
                Console.ReadLine();
                using (MemoryMappedFile mmf = MemoryMappedFile.OpenExisting("DARKTHREAD"))
                {
                    Mutex mutex = Mutex.OpenExisting("DarkthreadSharedMem");
                    mutex.WaitOne();                    
                    using (MemoryMappedViewStream stream = mmf.CreateViewStream(0, 0))
                    {
                        using (var br = new BinaryReader(stream))
                        {
                            //先讀取長度,再讀取内容
                            var len = br.ReadInt32();
                            var word = Encoding.UTF8.GetString(br.ReadBytes(len), 0, len);
                            Console.WriteLine($"訊息={word}");
                        }
                    }
                    using (MemoryMappedViewStream stream = mmf.CreateViewStream(512, 512))
                    {
                        using (var bw = new BinaryWriter(stream))
                        {
                            var msg = Encoding.UTF8.GetBytes("朕知道了");
                            bw.Write(msg.Length);
                            bw.Write(msg);
                        }
                    }
                    mutex.ReleaseMutex();
                }
                Console.ReadLine();
            }
            catch (FileNotFoundException)
            {
                Console.WriteLine("Memory-mapped file does not exist.");
            }
        }
    }
}

測試成功!

【補充技巧】

  1. 如何檢視 Windows 目前已開啟的 MemoryMappedFile?
    SystemInternals 有個 AccessChk 工具能列出 Windows 所有可存取的檔案、資料夾、Registry、物件以及 Windows 服務。而 MemoryMappedFile 屬於一種 Windows 物件,使用以下指令可列出所有物件並存檔
    accesschk -osv > e:\objList.txt
    在其中尋找 MemoryMappedFile 名稱,若存在可看到類似以下記錄:
    \Sessions\1\BaseNamedObjects\DARKTHREAD
      Type: Section
      Medium Mandatory Level (Default) [No-Write-Up]
      RW NT AUTHORITY\SYSTEM
        SECTION_ALL_ACCESS
      RW DOMAIN\UserName
        SECTION_ALL_ACCESS
      RW DOMAIN\UserName-S-1-5-5-0-954410
        SECTION_ALL_ACCESS
  2. MemoryMappedFile 預設是開在使用者的 Session 中,預設無法跨 Session 使用。例如:兩個分屬不同 AppPool 的 ASP.NET 若執行身分不同,即使 MemoryMappedFile 名稱相同也是各自一份,故運用時需確認溝通雙方使用的執行身分相同。
  3. 若要跨不同執行身分溝通,MemoryMappedFile 可命名為 "Global\Filename"(注意 Global 大小寫有別,我踩到誤寫為GLOBAL 路徑無效的雷),如此可跨執行身分存取。
    但需要注意,Session 0 (Windows Service)以外的 Process 需要具有 SeCreateGlobalPrivilege 權限才能建立 Global\… MemoryMappedFile。(MSDN文件
    關於 Session 0,可參考對岸 MVP 的這篇文章 - 穿透Session 0 隔离(一) 裡面有蠻詳細的介紹。
歡迎推文分享:
Published 05 July 2017 10:40 PM 由 Jeffrey
Filed under:
Views: 6,016



意見

# Alex said on 05 July, 2017 06:57 PM

MSND 範例 (X)

MSDN 範例 (O)

# Jeffrey said on 05 July, 2017 08:15 PM

to Alex, 感謝指正。

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一個醉心技術又酷愛分享的Coding魔人,十年的IT職場生涯,寫過系統、管過專案, 也帶過團隊,最後還是無怨無悔地選擇了技術鑽研這條路,近年來則以做一個"有為的中年人"自許。

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