C#与C++交互开发系列（二十）：跨进程通信之共享内存（Shared Memory）

1、前言

共享内存（Shared Memory）是一种高效的跨进程通信方式，尤其适用于同一台计算机上的进程之间的高速数据传输。与套接字相比，共享内存允许多个进程直接访问同一块内存区域，减少了数据传输的中间步骤，适合需要高性能和低延迟的场景。本文将介绍如何在 C# 和 C++ 之间通过共享内存实现跨进程通信，并附上完整的示例代码。

2、什么是共享内存？

共享内存是一种在操作系统中分配的内存区域，允许多个进程对该内存区域进行读写。不同于管道或套接字，数据不需要被复制到缓冲区中进行传输，而是直接由各个进程访问内存数据，从而提高了数据传输效率。

3、实现步骤

C++ 进程：创建共享内存区域，将数据写入内存。
C# 进程：打开该共享内存区域，从内存中读取数据。

4、示例代码

以下代码展示了一个 C++ 进程创建并写入共享内存，另一个 C# 进程读取该共享内存中的数据。

C++ 代码：创建并写入共享内存

使用 Windows API 创建共享内存，并将数据写入共享内存区域。

cpp 复制代码

#include <windows.h>
#include <iostream>
#include <cstring>

int main() {
    const char* sharedMemoryName = "Local\\MySharedMemory";
    const char* message = "Hello from C++!";

    // 创建共享内存
    HANDLE hMapFile = CreateFileMappingA(
        INVALID_HANDLE_VALUE,
        NULL,
        PAGE_READWRITE,
        0,
        256,
        sharedMemoryName
    );

    if (hMapFile == NULL) {
        std::cerr << "Could not create file mapping object: " << GetLastError() << std::endl;
        return 1;
    }

    // 映射内存
    LPVOID pBuf = MapViewOfFile(
        hMapFile,
        FILE_MAP_ALL_ACCESS,
        0,
        0,
        256
    );

    if (pBuf == NULL) {
        std::cerr << "Could not map view of file: " << GetLastError() << std::endl;
        CloseHandle(hMapFile);
        return 1;
    }

    // 写入数据到共享内存
    CopyMemory((PVOID)pBuf, message, strlen(message) + 1);

    std::cout << "Data written to shared memory: " << message << std::endl;
    std::cout << "Press Enter to exit...";
    std::cin.get();

    // 释放资源
    UnmapViewOfFile(pBuf);
    CloseHandle(hMapFile);

    return 0;
}

代码解析：

CreateFileMappingA：创建共享内存对象。

MapViewOfFile：将共享内存映射到进程地址空间。

CopyMemory：将数据写入共享内存。

UnmapViewOfFile 和 CloseHandle：释放内存映射并关闭句柄。

C# 代码：读取共享内存

在 C# 中使用 MemoryMappedFile 类打开并读取共享内存数据。

csharp 复制代码

using System;
using System.IO.MemoryMappedFiles;
using System.Text;

class Program {
    static void Main() {
        const string sharedMemoryName = "Local\\MySharedMemory";

        // 打开共享内存
        using (MemoryMappedFile mmf = MemoryMappedFile.OpenExisting(sharedMemoryName)) {
            // 读取共享内存数据
            using (MemoryMappedViewAccessor accessor = mmf.CreateViewAccessor(0, 256)) {
                byte[] buffer = new byte[256];
                accessor.ReadArray(0, buffer, 0, buffer.Length);
                
                // 将字节数组转换为字符串
                string message = Encoding.ASCII.GetString(buffer).TrimEnd('\0');
                Console.WriteLine("Data read from shared memory: " + message);
            }
        }
    }
}

代码解析：

MemoryMappedFile.OpenExisting：打开现有的共享内存对象。

MemoryMappedViewAccessor：创建内存视图以读取共享内存中的数据。

ReadArray：从共享内存中读取数据。

Encoding.ASCII.GetString：将字节数组转换为字符串。

5、运行步骤

编译并运行 C++ 程序，它将创建共享内存并写入数据。
运行 C# 程序，它将打开并读取共享内存中的数据。

运行结果：

C++ 程序输出：Data written to shared memory: Hello from C++!
C# 程序输出：Data read from shared memory: Hello from C++!

6、注意事项

命名空间一致性：确保共享内存名称一致，否则 C# 程序无法找到 C++ 程序创建的共享内存。
访问权限：共享内存的访问权限应当在 C++ 和 C# 之间保持一致。
数据格式：在多字节字符的处理上要确保编码一致，以免出现乱码。

7、应用场景

高性能数据传输：适用于大数据量、低延迟的应用场景，如视频处理、游戏引擎等。
跨进程数据共享：允许多个进程同时访问同一块数据，减少数据复制开销。

8、优缺点

优点：
- 高速数据传输，适合大数据量传输场景。
- 不需要数据序列化与反序列化，降低了性能开销。
缺点：
- 只适用于同一台计算机上的进程通信。
- 需要注意数据同步，避免多个进程同时写入导致的数据竞争。

9、总结

通过共享内存，C# 和 C++ 程序能够实现高效的跨进程通信，适用于高频、大数据量的数据传输需求。共享内存虽然具备较高的性能优势，但同时需要妥善管理访问权限和数据同步。

在下一篇文章中，我们将介绍 消息队列（Message Queues） 的实现方法，它更适合分布式系统中数据量不大但需要排队处理的场景。