Лаб_СПО_6_2015
advertisement
Лабораторная работа № 6
Межпроцессное взаимодействие на примере отображаемых
в память файлов
Цель работы:
Изучение механизмов межпроцессного взаимодействия
InterProcessCommunication (IPC) в ОС Windows.
1. Теоретические сведения
1.1. Понятие отображаемых файлов (FileMapping)
Отображение файла в память — это такой способ работы с файлами, при
котором всему файлу или некоторой непрерывной части этого файла ставится в
соответствие определённый участок памяти (диапазон адресов оперативной памяти). Это
позволяет приложению, включая множество процессов, изменять файл путем чтения и
записи прямо в память.
Когда два или более процесса получают доступ к одинаковым отображениям файлов,
то каждый процесс получает указатель на память в собственном адресном пространстве,
которое он может использовать для модифицирования содержимого файла. Отсюда
следует, что процессы также должны использовать объект синхронизации, например
семафор, чтобы предотвратить разрушение данных в многозадачной среде.
Программист может использовать специальный вид отображения файла для
обеспечения именованной разделенной памяти между процессами. Если при создании
объекта-отображения файла указывается файл подкачки системы (swapping file), то
отображение файла создается как блок совместно используемой памяти. Другие процессы
также могут получить доступ к этому блоку, открыв такое же отображение файла.
Механизм отображения файлов может быть использован процессами, работающими
только на локальном компьютере; он не используется для передачи данных по сети.
Существует два типа отображаемых в памяти файлов.
Постоянные отображаемые в памяти файлы
Постоянные отображаемые в памяти файлы связаны с исходным файлом на
диске. Данные сохраняются в этот исходный файл, когда последний процесс закончит
работу с файлом. Это отображение в памяти подходит для работы с очень большими
исходными файлами.
Непостоянные отображаемые в памяти файлы
Непостоянные отображаемые в памяти файлы не связаны с исходным файлом на
диске. Когда последний процесс закончит работу с файлом, данные утрачиваются и файл
удаляется функцией сборки мусора. Такие файлы подходят для создания общей памяти
для межпроцессного взаимодействия (IPC).
1.2. Организация взаимодействия нескольких процессов через общую
область данных
Отображаемые в памяти файлы могут совместно использоваться несколькими
процессами. Процессы могут сопоставляться с одним отображаемым в памяти файлом при
помощи общего имени, которое назначается процессом, создающим файл.
Для работы с отображаемым в памяти файлом необходимо создать представление
всего файла или его части. Можно также создать несколько представлений одной и той же
части отображаемого в памяти файла, создавая таким образом параллельную
память. Чтобы два представления оставались параллельными, они должны быть созданы
из одного отображаемого в памяти файла.
Также может потребоваться использование нескольких представлений, если файл
превышает размер пространства логической памяти приложения, доступный для
отображения памяти (2 ГБ на компьютере с 32-разрядной архитектурой).
Существует два типа представлений: представление потокового доступа и
представление произвольного доступа. Необходимо использовать представления
потокового доступа для последовательного доступа к файлу; это является
предпочтительным для непостоянных файлов и IPC. Представления произвольного
доступа являются предпочтительными для работы с постоянными файлами.
На следующем рисунке показаны несколько представлений и перекрывающие
представления одного и того же одновременно отображаемого в памяти файла.
1.3. Работа с постоянными отображаемыми в памяти файлы
Начиная с версии .NET Framework 4, разработчики могут использовать
управляемый код для получения отображаемых в памяти файлов.
Метод CreateFromFile создает отображаемый в памяти файл из существующего
файла на диске.
Синтаксис одного из вариантов метода CreateFromFile:
public static MemoryMappedFile CreateFromFile(
string path,
FileMode mode
)
Параметры:
path - путь к файлу для сопоставления.
Тип: System.String
mode - режим доступа.
Тип: System.IO.FileMode
Метод MemoryMappedFile.CreateViewAccessor создает объект для произвольного
доступа представления к отображаемому в памяти файлу.
В следующем примере создается отображаемое в памяти представление части
очень большого файла.
using System;
using System.IO;
using System.IO.MemoryMappedFiles;
using System.Runtime.InteropServices;
class Program
{
staticvoid Main(string[] args)
{
long offset = 0x10000000; // 256 megabytes
long length = 0x20000000; // 512 megabytes
// Create the memory-mapped file.
using (var mmf =
MemoryMappedFile.CreateFromFile(@"c:\ExtremelyLargeImage.data",
FileMode.Open,"ImgA"))
{
// Create a random access view, from the 256th megabyte (the offset)
// to the 768th megabyte (the offset plus length).
using (var accessor = mmf.CreateViewAccessor(offset, length))
{
int colorSize = Marshal.SizeOf(typeof(MyColor));
MyColor color;
// Make changes to the view.
for (long i = 0; i < length; i += colorSize)
{
accessor.Read(i, out color);
color.Brighten(10);
accessor.Write(i, ref color);
}
}
}
}
}
publicstruct MyColor
{
publicshort Red;
publicshort Green;
publicshort Blue;
publicshort Alpha;
// Make the view brigher.
publicvoid Brighten(short value)
{
Red = (short)Math.Min(short.MaxValue, (int)Red + value);
Green = (short)Math.Min(short.MaxValue, (int)Green + value);
Blue = (short)Math.Min(short.MaxValue, (int)Blue + value);
Alpha = (short)Math.Min(short.MaxValue, (int)Alpha + value);
}
}
1.4. Работа с непостоянными отображаемыми в памяти файлы
Методы CreateNew и CreateOrOpen создают отображаемый в памяти файл,
которому не соответствует файл на диске.
Полный синтаксис метода
public static MemoryMappedFile CreateNew(
string mapName,
long capacity,
MemoryMappedFileAccess access,
MemoryMappedFileOptions options,
MemoryMappedFileSecurity memoryMappedFileSecurity,
HandleInheritability inheritability
)
Параметры
mapName
Тип: System.String
Имя, присваиваемое отображаемому в памяти файлу.
capacity
Тип: System.Int64
Максимальный размер, выделяемый отображаемому в памяти файлу, в байтах.
access
Тип: System.IO.MemoryMappedFiles.MemoryMappedFileAccess
Одно из значений перечисления, определяющее разрешенный тип доступа к
отображаемому в памяти файлу. Значение по умолчанию: ReadWrite.
options
Тип: System.IO.MemoryMappedFiles.MemoryMappedFileOptions
Побитовое сочетание значений перечисления, которое задает параметры выделения
памяти для отображаемого в памяти файла.
memoryMappedFileSecurity
Тип: System.IO.MemoryMappedFiles.MemoryMappedFileSecurity
Разрешения, которые могут быть предоставлены для доступа к файлам и операций
с отображаемыми в памяти файлами.
Этот параметр может иметь значение null.
inheritability
Тип: System.IO.HandleInheritability
Одно из значений перечисления, определяющее, может ли дескриптор
отображаемого в памяти файла наследоваться дочерним процессом. Значение по
умолчанию: None.
Возвращаемое значение
Тип: System.IO.MemoryMappedFiles.MemoryMappedFile
Отображаемый в памяти файл с заданными характеристиками.
Один из вариантов синтаксиса метода CreateNew:
public static MemoryMappedFile CreateNew(
string mapName,
long capacity
)
Параметры:
mapName - имя, присваиваемое отображаемому в памяти файлу.
Тип: System.String
capacity - максимальный размер, выделяемый отображаемому в памяти файлу, в
байтах.
Тип: System.Int64
Метод OpenExisting открывает существующий размещенный в памяти файл с
заданным именем в системной памяти.
public static MemoryMappedFile OpenExisting(
string mapName
)
Следующий пример показывает работу трех отдельных процессов (консольных
приложений), которые записывают логические значения в непостоянный отображаемый в
памяти файл. Для синхронизации работы с отображаемым в памяти файлом используется
объект мьютекс.
ПроцессА
using
using
using
using
System;
System.IO;
System.IO.MemoryMappedFiles;
System.Threading;
class Program
{
// Process A:
staticvoid Main(string[] args)
{
using (MemoryMappedFile mmf = MemoryMappedFile.CreateNew("testmap", 10000))
{
bool mutexCreated;
Mutex mutex = new Mutex(true, "testmapmutex", out mutexCreated);
using (MemoryMappedViewStream stream = mmf.CreateViewStream())
{
BinaryWriter writer = new BinaryWriter(stream);
writer.Write(1);
}
mutex.ReleaseMutex();
Console.WriteLine("Start Process B and press ENTER to continue.");
Console.ReadLine();
Console.WriteLine("Start Process C and press ENTER to continue.");
Console.ReadLine();
mutex.WaitOne();
using (MemoryMappedViewStream stream = mmf.CreateViewStream())
{
BinaryReader reader = new BinaryReader(stream);
Console.WriteLine("Process A says: {0}",
reader.ReadBoolean());
Console.WriteLine("Process B says: {0}",
reader.ReadBoolean());
Console.WriteLine("Process C says: {0}",
reader.ReadBoolean());
}
mutex.ReleaseMutex();
}
}
}
ПроцессB
using
using
using
using
System;
System.IO;
System.IO.MemoryMappedFiles;
System.Threading;
class Program
{
// Process B:
staticvoid Main(string[] args)
{
try
{
using (MemoryMappedFile mmf = MemoryMappedFile.OpenExisting("testmap"))
{
Mutex mutex = Mutex.OpenExisting("testmapmutex");
mutex.WaitOne();
using (MemoryMappedViewStream stream = mmf.CreateViewStream(1, 0))
{
BinaryWriter writer = new BinaryWriter(stream);
writer.Write(0);
}
mutex.ReleaseMutex();
}
}
catch (FileNotFoundException)
{
Console.WriteLine("Memory-mapped file does not exist. Run Process
A first.");
}
}
}
ПроцессC
using
using
using
using
System;
System.IO;
System.IO.MemoryMappedFiles;
System.Threading;
class Program
{
// Process C:
staticvoid Main(string[] args)
{
try
{
using (MemoryMappedFile mmf = MemoryMappedFile.OpenExisting("testmap"))
{
Mutex mutex = Mutex.OpenExisting("testmapmutex");
mutex.WaitOne();
using (MemoryMappedViewStream stream = mmf.CreateViewStream(2, 0))
{
BinaryWriter writer = new BinaryWriter(stream);
writer.Write(1);
}
mutex.ReleaseMutex();
}
}
catch (FileNotFoundException)
{
Console.WriteLine("Memory-mapped file does not exist. Run Process
A first, then B.");
}
}
}
Метод MemoryMappedFile.CreateViewStream создает поток для последовательного
доступа представления к отображаемому в памяти файлу. Данный метод перегружен.
Может использоваться без параметров и принимать несколько параметров.
Синтаксис одной из перегрузок MemoryMappedFile.CreateViewStream:
public MemoryMappedViewStream CreateViewStream(
long offset,
long size
)
Параметры
offset - байт, с которого должно начинаться представление.
Тип:System.Int64
size - размер представления. Укажите 0 (нуль), чтобы создать представление, которое
начинается с offset и заканчивается приблизительно в конце отображаемого в памяти
файла.
Тип: System.Int64
2. Практическое задание
Разработать программу согласно варианту:
Вариант
Задачи
1
Реализовать нахождение максимального элемента матрицы с помощью
нескольких процессов: каждый процесс получает от ведущего процесса строку
матрицы, находит максимальный элемент в строке. Ведущий процесс находит
наибольшее из переданных ему значений. Взаимодействие выполнить с помощью
отображаемых файлов.
2
Реализовать нахождение с помощью нескольких процессов: каждый процесс
выполняет перемножение строки первой матрицы на столбец второй (в соответствии
с правилом умножения матриц). При необходимости процессам, выполняющим
умножение, может быть отправлено несколько заданий. Взаимодействие выполнить
с помощью отображаемых файлов.
3
Реализовать алгоритм блочной сортировки по возрастанию файла целых чисел
с помощью нескольких процессов. Каждый процесс, выполняющий сортировку,
получает свою часть файла от ведущего процесса и сортирует его. Ведущий процесс
выполняет упорядочивание уже отсортированных блоков. При необходимости
ведомым процессам может быть выделено более одного задания на сортировку.
Взаимодействие выполнить с помощью отображаемых файлов.
4
Реализовать обмен текстовыми сообщениями между несколькими процессами.
Обеспечить подтверждение приема сообщения адресатом или, в случае потери
сообщения, повторную его передачу. Взаимодействие выполнить с помощью
отображаемых файлов.
5
Реализовать нахождение в матрице столбца, содержащего наименьшее
количества нулевых элементов с помощью нескольких процессов: каждый процесс
получает от ведущего процесса столбец матрицы, находит количество нулевых
элементов в столбце. Взаимодействие выполнить с помощью отображаемых файлов.
6
Реализовать нахождение среднего значения элементов матрицы с помощью
нескольких процессов: каждый процесс получает от ведущего процесса столбец
матрицы, находит среднее значения элементов в столбце. Ведущий процесс находит
среднее из переданных ему значений. Взаимодействие выполнить с помощью
отображаемых файлов.
7
Реализовать нахождение минимального элемента матрицы с помощью нескольких
процессов: каждый процесс получает от ведущего процесса строку матрицы,
находит минимальный элемент в строке. Ведущий процесс находит наименьшее из
переданных ему значений. Взаимодействие выполнить с помощью отображаемых
файлов.
8
Реализовать нахождение строки матрицы, содержащей максимальное
количество ненулевых значений с помощью нескольких процессов: каждый
процесс получает от ведущего процесса строку матрицы, находит количество
ненулевых элементов в строке. Ведущий процесс находит наибольшее из
переданных ему значений. Взаимодействие выполнить с помощью
отображаемых файлов.
9
Реализовать нахождение строки матрицы, содержащей минимальное
количество положительных элементов с помощью нескольких процессов:
каждый процесс получает от ведущего процесса строку матрицы, находит
количество положительных элементов в строке. Ведущий процесс находит
наименьшее из переданных ему значений. Взаимодействие выполнить с
помощью отображаемых файлов.
10
Реализовать нахождение в матрице строки, содержащей наибольшее
количество ненулевых элементов с помощью нескольких процессов: каждый
процесс получает от ведущего процесса столбец матрицы, находит количество
ненулевых элементов. Взаимодействие выполнить с помощью отображаемых
файлов.
11
Реализовать алгоритм блочной сортировки по убыванию файла целых чисел с
помощью нескольких процессов. Каждый процесс, выполняющий сортировку,
получает свою часть файла от ведущего процесса и сортирует его. Ведущий процесс
выполняет упорядочивание уже отсортированных блоков. При необходимости
ведомым процессам может быть выделено более одного задания на сортировку.
Взаимодействие выполнить с помощью отображаемых файлов
12
Реализовать нахождение среднего значения элементов матрицы с помощью
нескольких процессов: каждый процесс получает от ведущего процесса строку
матрицы, находит среднее значения элементов в строке. Ведущий процесс находит
среднее из переданных ему значений. Взаимодействие выполнить с помощью
отображаемых файлов.
13
Реализовать нахождение строки матрицы, содержащей максимальное
количество ненулевых значений с помощью нескольких процессов: каждый процесс
получает от ведущего процесса строку матрицы, находит количество ненулевых
элементов в строке. Ведущий процесс находит наибольшее из переданных ему
значений. Взаимодействие выполнить с помощью отображаемых файлов.
14
Реализовать нахождение суммы элементов матрицы с помощью нескольких
процессов: каждый процесс получает от ведущего процесса строку матрицы,
находит сумму элементов в строке. Ведущий процесс находит сумму переданных
ему значений. Взаимодействие выполнить с помощью отображаемых файлов.
15
Реализовать нахождение модуля суммы элементов матрицы с помощью
нескольких процессов: каждый процесс получает от ведущего процесса столбец
матрицы, находит модуль суммы элементов в столбце. Ведущий процесс находит
модуль суммы переданных ему значений. Взаимодействие выполнить с помощью
отображаемых файлов.
3. Контрольные вопросы
1. Что такое отображение файла в память?
2. Для каких целей служит отображение файлов?
3. Перечислите типы отображаемых файлов и объясните их отличие.
4. Возможно ли задание прав доступа к отображаемым файлам?
Использованные источники
1. http://msdn.microsoft.com/ruru/library/system.io.memorymappedfiles.memorymappedfile(v=vs.110).aspx
2. http://msdn.microsoft.com/ru-ru/library/dd997372.aspx
