前言
进程通信一般情况下比较少用，但是也有一些使用场景，有些做视频传输的似乎会用多进程来实现，还有在子进程中调用特定的库来避免内存泄漏，笔者最近也遇到了需要使用多进程的场景。多进程的使用最主要的就是进程间的通信，本文参考了go语言的ipc库，实现了一个基于共享内存的跨进程队列。
一、实现原理
1、用到的主要对象
//共享内存管理对象 MemoryMappedFile _mmf; //跨进程的互斥变量 Mutex _mtx; //入队信号量 Semaphore _semaEq; //出队信号量 Semaphore _semaDq;
2、创建共享内存
创建共享内存需要使用MemoryMappedFile.CreateFromFile实现跨平台。CreateNew只能创建无法打开第二个，OpenExisting只支持windows。
string name="共享内存标识名称"; _shmPath="共享内存文件路径"+name; //通过文件路径创建共享内存 _mmf = MemoryMappedFile.CreateFromFile(File.Open(_shmPath, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.ReadWrite, FileShare.ReadWrite), null, (_QueuetHeaderSize + (elementBodyMaxSize + _ElementHeaderSize) * capacity), MemoryMappedFileAccess.ReadWrite, HandleInheritability.Inheritable, false); //创建互斥变量 _mtx = new Mutex(false, Name + ".mx"); //创建入队信号量，capacity为队列元素个数容量 _semaEq = new Semaphore(0, (int)capacity, name+ ".eq"); //创建出队信号量，capacity为队列元素个数容量 _semaDq = new Semaphore((int)capacity, (int)capacity, name + ".dq");
获取读写对象
_mmva = _mmf.CreateViewAccessor();
值类型数组方式写入
T[] obj; _mmva.WriteArray<T>(position , obj, 0, obj.Length);
3、头部信息
采用循环队列方式实现，判断队空队满通过count、capacity的方式（参考了C#的Queue源码），避免占用多一个空间。
struct QueueHeader
{
//元素大小
public nint ElementSize;
//队列容量
public nint Capacity;
//当前元素个数
public nint Count;
//队列头
public nint Front;
//队列尾
public nint Rear;
}
队列头信息需要存储在共享内存中。
QueueHeader Header
{
get
{
QueueHeader header;
_mmva.Read(0, out header);
return header;
}
set
{
_mmva.Write(0, ref value);
}
}
4、入队
示例如下
bool Enqueuee<T>(T[] obj) where T : struct
{
//共享内存中读取header
var header = Header;
//队列满返回
if (header.Count == header.Capacity) return false;
//计算写入的位置,头部长度+队尾*元素大小
nint position = _QueuetHeaderSize + header.Rear * header.ElementSize;
//写入共享内存
_mmva.WriteArray<T>(position, obj, 0, obj.Length);
//更新队尾
header.Rear = (header.Rear + 1) % header.Capacity;
//更新长度
header.Count++;
//更新头部信息到共享内存
Header=header;
return true;
}
同步
//等待出队信号量（如果队列满则会等待）
if (!_semaDq.WaitOne(timeout)) return false;
//进入互斥锁
if (!_mtx.WaitOne(timeout)) return false;
try
{
//入队
Enqueue(obj);
}
finally
{
//通知入队信号量
_semaEq.Release();
//释放互斥锁
_mtx.ReleaseMutex();
}
return true;
5、出队
object Dequeue()
{
//共享内存中读取header
var header = Header;
//队列空则返回
if (header.Count == 0) return null;
//计算读取的位置,头部长度+队头*元素大小
long position = _QueuetHeaderSize + header.Front * header.ElementSize;
//创建数据用于装载数据
Array arr = Array.CreateInstance(readType, msg.Header.ArrayLength);
//将泛型转type调用。
var readArray = _ReadArrayGeneric.MakeGenericMethod(readType);
//读取共享内存的数据
readArray.Invoke(_mmva, [position , arr, 0, arr.Length]);
//更新队头
header.Front = (header.Front + 1) % header.Capacity;
//更新长度
header.Count--;
//更新头部信息到共享内存
Header = header;
return msg;
}
同步
//等待入队信号量（如果队列空则会等待）
if (!_semaEq.WaitOne(timeout)) return null;
//进入互斥锁
if (!_mtx.WaitOne(timeout!)) return null;
try
{
//出队
return Dequeue();
}
finally
{
//通知入队信号量
_semaDq.Release();
//释放互斥锁
_mtx.ReleaseMutex();
}
6、释放资源
/// <summary>
/// 销毁队列，只会销毁当前实例，如果多个队列打开同个名称，其他队列不受影响
/// </summary>
public void Dispose()
{
_mmf.Dispose();
_mmva.Dispose();
_mtx.Dispose();
_semaEq.Dispose();
_semaDq.Dispose();
}
二、完整代码
类的定义
/// <summary>
/// 共享队列
/// 基于共享内存实现
/// </summary>
class SharedQueue : IDisposable
{
/// <summary>
/// 名称
/// </summary>
public string Name { get; private set; }
/// <summary>
/// 元素最大大小
/// </summary>
public long ElementMaxSize { get; private set; }
/// <summary>
/// 队列容量
/// </summary>
public long Capacity { get; private set; }
/// <summary>
/// 表示是否新创建，是则是创建，否则是打开已存在的。
/// </summary>
public bool IsNewCreate { get; private set; }
/// <summary>
/// 构造方法
/// </summary>
/// <param name="name">唯一名称，系统级别，不同进程创建相同名称的本对象，就是同一个队列，可以进行数据传输。</param>
/// <param name="capacity">队列容量，元素个数总量</param>
/// <param name="elementBodyMaxSize">队列元素最大大小,此大小需要考虑传输数据Type.FullName长度</param>
public SharedQueue(string name, nint capacity = 1, nint elementBodyMaxSize = 3145728);
/// <summary>
/// 发送数据
/// </summary>
/// <param name="obj">发送的对象，支持值类型（元类型、结构体）、值类型数组、可json序列化的任意对象(实体类、数组、List、字典等等)，无法序列化会产生异常。
/// 会根据类型自动判断传输方式，值类型以及值类型数组会直接内存拷贝，引用类型会进行序列化。
/// 此方法队列满了会阻塞，直到发送成功才返回。
/// </param>
/// <param name="isForceSerialize">是否强制序列化，结构体不含引用的情况下会直接复制数据性能较高，但是如果结构体成员变量有引用类型则会引发异常，此时可以强制序列化。</param>
public void Send(object obj, bool isForceSerialize = false);
/// <summary>
/// 接收数据
/// 此方法队列空会阻塞，直到有数据才返回。
/// </summary>
/// <returns>接收的数据，与send的数据类型对应。可以通过type或is判断，或者提前知道类型直接转换</returns>
public object Receive();
/// <summary>
/// 发送数据超时
/// </summary>
/// <param name="obj">发送的对象，支持值类型（元类型、结构体）、值类型数组、可json序列化的任意对象(实体类、数组、List、字典等等)，无法序列化会产生异常。
/// 会根据类型自动判断传输方式，值类型以及值类型数组会直接内存拷贝，引用类型会进行序列化。</param>
/// <param name="timeout">超时时长</param>
/// <param name="isForceSerialize">是否强制序列化，结构体不含引用的情况下会直接复制数据性能较高，但是如果结构体成员变量有引用类型则会引发异常，此时可以强制序列化。</param>
/// <returns>true发送成功，false超时</returns>
public bool SendTimeout(object obj, TimeSpan timeout, bool isForceSerialize = false);
/// <summary>
/// 接收超时
/// </summary>
/// <param name="timeout">超时时长</param>
/// <returns>接收的数据，与send的数据类型对应。可以通过type或is判断，或者提前知道类型直接转换。
/// 超时返回null。
/// </returns>
public object? ReceiveTimeout(TimeSpan timeout);
/// <summary>
/// 销毁队列，只会销毁当前实例，如果多个队列打开同个名称，其他队列不受影响
/// </summary>
public void Dispose();
}
三、使用示例
1、传输byte[]数据
进程a
SharedQueue shq= new SharedQueue("shq1", 10);
byte[] a = new byte[5] { 1, 2, 3, 4, 5 };
//发送数据
shq.send(a);
进程b
SharedQueue shq= new SharedQueue("shq1", 10);
//接收数据
var a=shq.Receive() as byte[];
Console.Write("receive: ");
foreach (var i in a)
{
Console.Write(i);
}
2、传输字符串
进程a
SharedQueue shq= new SharedQueue("shq1", 10,64);
shq.send("12345");
进程b
SharedQueue shq= new SharedQueue("shq1", 10,64);
var a=shq.Receive() as string;
Console.WriteLine("receive: " + a);
3、传输对象
class A
{
public string Name;
public int Number;
}
进程a
SharedQueue shq= new SharedQueue("shq1", 10,64);
sq.Send(new A() { Name = "Tommy", Number = 102185784 });
进程b
SharedQueue shq= new SharedQueue("shq1", 10,64);
var a=shq.Receive() as A;
Console.WriteLine("receive: " + a.Name + " " + a.Number);
总结
以上就是今天要讲的内容，实现这样的一个对象，虽然代码量不多，但还是有一点难度的，很多细节需要处理，比如泛型转type以统一接口，信号量实现队列和条件变量是有差异的，用CreateFromFile才能实现跨平台。总的来说，有了这样的一个队列，跨线程通信就变的比较方便且高效了。
