内存映射文件
内存映射文件(Mapping File)是Windows内存管理中的重要一环，也是编程
技术中比较高级的一个话题。目前关于这方面的资料比较少，而其实内存映射
文件其实对我们的对于Windows的内存了解很重要，在这里把笔者的心得写
出来，和大家一起讨论。
内存空间及映射
相信大家都已经知道，在WIN32中和16位Windows的最大不同就是WIN32
引入了
面向进程的独立虚拟地址，这个地址的寻址空间达到了4GB（2^32），当然
这个地址是虚拟的。每个进程拥有自己的独立空间,进程A的地址0X10000000
和进程B的地址0X10000000没有丝毫的联系(只是在用户进程地址空间,不包括其他
范围)。说到这个地方可能大家会奇怪了,我的机器中只有64M（或者128M等）内存呀，怎么会有这么大的地址空间呢？而进程A和进程B的同样的地址又会如何识别使得不冲突呢？
这里先让我们来看看Windows的内存空间(注：这里我们都以Win9X来讨论,
当然Win2K或者WinNT和9X在某些方面会不大一样)
0x00000000----0x003FFFFF 4M 属于系统保留区域
0x00400000---0x7FFFFFFF 2G-4M 面向进程独立的地址空间
0x80000000--0xBFFFFFFF 1G Win32共享的空间,用来存放
内存映射文件等
0xC0000000---0xFFFFFFFF 1G 用来存放Vxd等
有上面的列表可知,用户的程序运行在第二个地址范围中,而我们用来讨论的映射文件则放在了第三个地址范围中.而我们调试程序的时候经常有看到某个指针变量的值
为多少,这个值就指的是虚拟地址空间中的地址.
那么Windows是如何将这个虚拟地址空间转化为实际的PC上的RAM的地址呢?
这就牵涉到映射的问题,也就是
以页(page)为基本单位实现两个地址的对应.这个相信
在操作系统这门课里已经学习过,这里就不再重复了
这样,相信大家都已经清楚了程序访问中的地址空间和具体的OS访问的地址之间的关系了吧(关于页的大小,不同的平台有不同的值,Windows的是4K,我们可以用GetSystemInfo这个API返回的SYSTEM_INFO中的dwPageSize得知道)
(备注2:实际的映射过程中,是以64K为边界对齐的)
虚拟内存
然而,我们知道RAM是宝贵而稀少的,早在16位的Windows时代已经推出
了硬盘交换文件以提供虚拟内存,Win32则是提供了
硬盘上的页面文件来继续
支持虚拟内存.根据Richter的说法:”系统页面的大小是决定应用程序能使用多少
物理内存的最重要的因素,RAM只是很小的影响”.在实际的内存访问过程中,系统
先会上RAM中寻找需要的资料,如果找不到,就会提供一个页面错误让OS上页面
文件上去找,如果找到则把页面文件的内容加载到RAM继续访问,否则就报错
提示”无效的页面错误”(也是我们最常碰到的程序错误).在这里,我们不妨把页面
文件理解为”后备的RAM”.(Windows提供给用户控制虚拟内存的方法是在
控制面板中的系统选项).所以在这种情况下,RAM的主要作用只是起到了
和硬盘上的页面文件做数据的交换,所以才有了Richter的说法.
如果用户程序要自己使用虚拟内存,那么首先的第一步是在进程地址
空间中
保留(rerserve)一块地址(在4M—2G中),然后再把这块空间
提交(commit)
给真正的内存.Windows提供给我们的对虚拟内存的操作界面是VirtualAlloc和
VirtualFree这一组API,这样我们就可以利用虚拟内存的庞大的特性来处理
一般程序难以解决的问题.比如假设有个二维结构Item[300][256];里面每个单位
为200个字节, 现在要修改里面的某个单元,要实际的分配这么大的内存几乎是
不可能的,而分匹处理又难以体现二维结构直接用下标访问的简洁性,这样我们
就可以先保留下这个庞大的结构,然后只提交要修改的部分给实际的内存,使得
最后的操作简洁而有效.
Windows提供的保留和提交虚拟内存的函数只是一个:VirtualAlloc,不过是里面
的参数不一样,拿上面的例子而言,我们可以这样处理:
LPVOID pStart = NULL;
LPVOID pItem = NULL;
DWORD Offset=0;
// 在系统默认位置保留整个数据结构,返回保留的首地址
pStart =VirtualAlloc(NULL,300*256*200, MEM_RESERVE,PAGE_READWRITE);
…
// 计算出要存取的偏移位置
….
// 只提交其中的
一部分给内存
pItem =VirtualAlloc(pStart+Offset,
200,MEM_RESERVE,PAGE_READWRITE);
// 直接修改
pItem=….
VirtualFree(pStart, 300*256*200, PAGE_READWRITE);
可是虚拟内存也会带来不方便的地方,假设我们要运行一个程序,按照前面
的做法是要使用到页面文件来作为虚拟内存而访问,这样系统必然是先保留
程序的地址空间,然后提交物理内存,接下来把数据和代码从硬盘上的程序文件
拷贝到系统的页面文件,最后加载运行.这样的结果必然是使得加载一个应用
程序的时间变的很长,所以系统真正的做法是把
程序文件(.exe)直接当作是内存
文件而使用,这样就不再从页面文件中分配空间使得加载的时间大大增加.
这个特性无疑是非常诱人的,居然可以直接拿文件当内存,那不是很方便吗?
是的.在系统加载exe文件和dll文件的时候,系统是自动这么处理的.那么如果
是一般的数据文件要使用这种特性可以吗?答案是肯定的,也就是我们绕了一个
大圈子最终要说的今天的话题:内存映射文件.
前面已经提到:内存映射文件是拿文件直接当作系统的内存使用,那么它主要
的用途是什么呢?主要有以下两点:
1.
直接用内存映射文件来访问磁盘上的数据文件,无需再进行文件
的I/0操作.
2.
用来在多个进程之间共享数据.进程间共享数据有很多种方法,比如
发送消息WM_COPYDATA,匿名管道等等,但他们的低层都毫无例外
的使用到了Mapping File.然而因为WM_COPYDATA一定需要使用
同步函数SendMessage,所以在实时性方面表现的不是很好.
(至于同步和异步的区别可以参考笔者的另一篇文章:
http://www.csdn.net/Develop/read_article.asp?id=14204)
前面已经提到过,内存映射文件的位置在3G—4G的空间中,这部分是Win32
所有进程都看的到并且共享的,自然可以用来传输数据,另外各个进程所
共享的DLL等也是映射在这个空间范围.
内存映射文件的使用可以分为以下三步:
1.CreateFileMapping
创建一个文件映射内核对象
2.MapViewOfFile
将文件数据映射进进程地址空间
3.UnmapViewOfFile
从进程地址空间解除这个映射
下面以Mapping File的两个主要作用分别给出两个简单的例子:
A 直接用内存映射文件访问文件.
首先在C盘下创建一个Mapping.txt里面输入1234567
HANDLE hFile=CreateFile("c:\\mapping.txt",
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,
FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE,
NULL,
OPEN_EXISTING,
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
NULL);
HANDLE hFilemap = CreateFileMapping(hFile..);
NULL,
PAGE_READWRITE,
0,
100, // 只是开辟100个
NULL);
LPVOID pVoid=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
Char *Buf=(char *)pVoid;
Buf[0]=”T”
CloseHandle(hFile);
CloseHandle(hFilemap);
UnmapViewOfFile(pVoid);
(注意:没有考虑异常情况)
这样,当我们再打开Mapping.txt的文件的时候,就发现第一个字节”1”
已经被改为了’T’.
也许有些读者会提问:干吗这么麻烦呢?直接用fopen或者CreateFile
不就OK了?是的,小文件是,可是如果这个文件有上百兆呢?Mapping
File为我们提供了一种
直接映射存取的方便之道.
这里有个小小的地方要注意,创建映射对象的时候有个保护属性
fdwProtect可以选择PAGE_WRITECOPY,顾名思义是用来写拷贝的,
系统在收到这个参数后,将会从页面文件中额外的提交物理内存
(前面已经提到过,映射对象不使用页面文件).当发生读操作的时候,系统
仍旧使用映射文件,当发生写操作的时候,系统从页面文件中分配页面,
从映射文件中拷贝到该页进行访问,这样使得原先的
写操作被丢弃.
读者可以试着照上面的例子把CreateFileMapping和MapViewOfFile
里面的两个对应字节改为PAGE_WRITECOPY和FILE_MAP_COPY,
这样原文件即使有写操作也不会被改动.
B 在不同的进程间共享数据
要进行共享如果每次都要在硬盘上创建一个文件该是多么的麻烦啊,
Windows提供了这样一种机制:当在创建映射对象的时候如果hFile
填上(HANDLE)0xFFFFFFFF,系统会自动从页面文件中创建文件对象.
另外有书上提到共享方式是以p2p的方式还是c/s的架构来进行,
我想不过是
打开的方式不同吧,没有别的差别,(一个用CreateFileMapping
打开看是否为已经存在,另一个用OpenFileMapping打开)
来看个例子;
# define WM_DATACOMING
WM_USER+100
进程A:
HANDLE hFilemap=CreateFileMapping((HANDLE)0xFFFFFFFF,
NULL,
PAGE_READWRITE,
0,
100,
"SHARED");
LPVOID pVoid=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
memset(pVoid,0,100);
strcpy((char *)pVoid,"this is a mapping file test");
HANDLE hDes=FindWindow(NULL,"MAPPING");
// 对象窗口的名称
SendMessage(hDes, WM_DATACOMING,0,0);
CloseHandle(hFilemap);
UnmapViewOfFile(pVoid);
进程B(拥有窗口名称为MAPPING)
// WM_DATACOMING消息捕捉函数
HANDLE hFilemap=OpenFileMapping(NULL,NULL,"SHARED");
LPVOID pVoid=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
Label1->Caption=(char *)pVoid;
可以看到数据已经被正确的传送过来.
可能有些读者已经注意到,在这种情况下需要
给映射对象取个名字(例子
中为SHARED),是的,在这种用途下需要给它取个名字,而在第一种应用
中这个地方可以被忽略.这里可能会引起打架的地方就是这个名字了,
如果多个进程创建了多个映射对象,根据名字来不是比较容易冲突了吗?
是的,这是个问题,笔者建议可以采用窗体的名称(MAPPING)或者别的
唯一的ID来使得不引起混淆.
请注意这个函数:MapViewOfFile,注意到里面有个单词:View
à视
这个函数是把创建好的映射对象真正提交到地址空间去,这就产生了
一个视.Windows中
允许映射统一数据文件的多个视,比如说可以将
一个文件的全部映射到一个视,然后将他的前10K单独映射为一个视.
那么系统是不是真正区别这多个视呢?答案是要看是什么系统,
如果是Win9x,系统并没有额外再映射一个新的地址给它,而只是
把
原先的基地址加上一个偏移量做为新的视的地址而返回,换句话
说地址空间只有一份,而WinNT则是真正的新产生了一个地址空间
返回来.
看看下面这个小例子:
HANDLE hFilemap=CreateFileMapping((HANDLE)0xFFFFFFFF,
NULL,
PAGE_READWRITE,
0,
100,
"SHARED");
// 提交整个地址给空间
LPVOID pVoid1=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
// 从偏移40产生一个新视
LPVOID pVoid2= MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,40,0);
If(pVoid1+40==pVoid2)
MessageBox(“Run On Win95”);
else
MessageBox(“Run On NT”);
前面已经提到:内存映射文件是拿文件直接当作系统的内存使用,那么它主要
的用途是什么呢?主要有以下两点:
1.
直接用内存映射文件来访问磁盘上的数据文件,无需再进行文件
的I/0操作.
2.
用来在多个进程之间共享数据.进程间共享数据有很多种方法,比如
发送消息WM_COPYDATA,匿名管道等等,但他们的低层都毫无例外
的使用到了Mapping File.然而因为WM_COPYDATA一定需要使用
同步函数SendMessage,所以在实时性方面表现的不是很好.
(至于同步和异步的区别可以参考笔者的另一篇文章:
http://www.csdn.net/Develop/read_article.asp?id=14204)
前面已经提到过,内存映射文件的位置在3G—4G的空间中,这部分是Win32
所有进程都看的到并且共享的,自然可以用来传输数据,另外各个进程所
共享的DLL等也是映射在这个空间范围.
内存映射文件的使用可以分为以下三步:
1.CreateFileMapping
创建一个文件映射内核对象
2.MapViewOfFile
将文件数据映射进进程地址空间
3.UnmapViewOfFile
从进程地址空间解除这个映射
下面以Mapping File的两个主要作用分别给出两个简单的例子:
A 直接用内存映射文件访问文件.
首先在C盘下创建一个Mapping.txt里面输入1234567
HANDLE hFile=CreateFile("c:\\mapping.txt",
GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,
FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE,
NULL,
OPEN_EXISTING,
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
NULL);
HANDLE hFilemap = CreateFileMapping(hFile..);
NULL,
PAGE_READWRITE,
0,
100, // 只是开辟100个
NULL);
LPVOID pVoid=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
Char *Buf=(char *)pVoid;
Buf[0]=”T”
CloseHandle(hFile);
CloseHandle(hFilemap);
UnmapViewOfFile(pVoid);
(注意:没有考虑异常情况)
这样,当我们再打开Mapping.txt的文件的时候,就发现第一个字节”1”
已经被改为了’T’.
也许有些读者会提问:干吗这么麻烦呢?直接用fopen或者CreateFile
不就OK了?是的,小文件是,可是如果这个文件有上百兆呢?Mapping
File为我们提供了一种
直接映射存取的方便之道.
这里有个小小的地方要注意,创建映射对象的时候有个保护属性
fdwProtect可以选择PAGE_WRITECOPY,顾名思义是用来写拷贝的,
系统在收到这个参数后,将会从页面文件中额外的提交物理内存
(前面已经提到过,映射对象不使用页面文件).当发生读操作的时候,系统
仍旧使用映射文件,当发生写操作的时候,系统从页面文件中分配页面,
从映射文件中拷贝到该页进行访问,这样使得原先的
写操作被丢弃.
读者可以试着照上面的例子把CreateFileMapping和MapViewOfFile
里面的两个对应字节改为PAGE_WRITECOPY和FILE_MAP_COPY,
这样原文件即使有写操作也不会被改动.
B 在不同的进程间共享数据
要进行共享如果每次都要在硬盘上创建一个文件该是多么的麻烦啊,
Windows提供了这样一种机制:当在创建映射对象的时候如果hFile
填上(HANDLE)0xFFFFFFFF,系统会自动从页面文件中创建文件对象.
另外有书上提到共享方式是以p2p的方式还是c/s的架构来进行,
我想不过是
打开的方式不同吧,没有别的差别,(一个用CreateFileMapping
打开看是否为已经存在,另一个用OpenFileMapping打开)
来看个例子;
# define WM_DATACOMING
WM_USER+100
进程A:
HANDLE hFilemap=CreateFileMapping((HANDLE)0xFFFFFFFF,
NULL,
PAGE_READWRITE,
0,
100,
"SHARED");
LPVOID pVoid=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
memset(pVoid,0,100);
strcpy((char *)pVoid,"this is a mapping file test");
HANDLE hDes=FindWindow(NULL,"MAPPING");
// 对象窗口的名称
SendMessage(hDes, WM_DATACOMING,0,0);
CloseHandle(hFilemap);
UnmapViewOfFile(pVoid);
进程B(拥有窗口名称为MAPPING)
// WM_DATACOMING消息捕捉函数
HANDLE hFilemap=OpenFileMapping(NULL,NULL,"SHARED");
LPVOID pVoid=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
Label1->Caption=(char *)pVoid;
可以看到数据已经被正确的传送过来.
可能有些读者已经注意到,在这种情况下需要
给映射对象取个名字(例子
中为SHARED),是的,在这种用途下需要给它取个名字,而在第一种应用
中这个地方可以被忽略.这里可能会引起打架的地方就是这个名字了,
如果多个进程创建了多个映射对象,根据名字来不是比较容易冲突了吗?
是的,这是个问题,笔者建议可以采用窗体的名称(MAPPING)或者别的
唯一的ID来使得不引起混淆.
请注意这个函数:MapViewOfFile,注意到里面有个单词:View
à视
这个函数是把创建好的映射对象真正提交到地址空间去,这就产生了
一个视.Windows中
允许映射统一数据文件的多个视,比如说可以将
一个文件的全部映射到一个视,然后将他的前10K单独映射为一个视.
那么系统是不是真正区别这多个视呢?答案是要看是什么系统,
如果是Win9x,系统并没有额外再映射一个新的地址给它,而只是
把
原先的基地址加上一个偏移量做为新的视的地址而返回,换句话
说地址空间只有一份,而WinNT则是真正的新产生了一个地址空间
返回来.
看看下面这个小例子:
HANDLE hFilemap=CreateFileMapping((HANDLE)0xFFFFFFFF,
NULL,
PAGE_READWRITE,
0,
100,
"SHARED");
// 提交整个地址给空间
LPVOID pVoid1=MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,0,0);
// 从偏移40产生一个新视
LPVOID pVoid2= MapViewOfFile(hFilemap,FILE_MAP_ALL_ACCESS,0,40,0);
If(pVoid1+40==pVoid2)
MessageBox(“Run On Win95”);
else
MessageBox(“Run On NT”);