直接在C#w/out复制中读取大型二进制文件

Question

我正在寻找最有效/直接的方式来做这个简单的C/C++操作:

void ReadData(FILE *f, uint16 *buf, int startsamp, int nsamps)
{
   fseek(f, startsamp*sizeof(uint16), SEEK_SET);
   fread(buf, sizeof(uint16), nsamps, f);
}

在C#/.NET中.(为了清晰起见,我忽略了返回值 - 生产代码会检查它们.)具体来说,我需要读取许多(可能是10到100的数百万)2字节(16位)"ushort"整数数据样本(固定格式) ,不需要解析)以二进制形式存储在磁盘文件中.关于C方式的好处是它将样本直接读入"uint16*"缓冲区,没有CPU参与,也没有复制.是的,它可能是"不安全的",因为它使用void*指针指向未知大小的缓冲区,但似乎应该有一个"安全"的.NET替代品.

在C#中实现这一目标的最佳方法是什么？我环顾四周,发现了一些提示(使用FieldOffset的"工会",使用指针编组的"不安全"代码,编组),但似乎没有一个适用于这种情况,没有使用某种复制/转换.我想避免使用BinaryReader.ReadUInt16(),因为这非常慢并且CPU密集.在我的机器上,带有ReadUInt16()的for()循环与使用单个Read()直接读入byte []数组之间的速度差异约为25倍.使用非阻塞I/O(在等待磁盘I/O时重叠"有用"处理),该比率可能更高.

理想情况下,我想简单地"伪装"一个ushort []数组作为byte []数组,这样我就可以用Read()直接填充它,或者以某种方式让Read()直接填充ushort []数组:

// DOES NOT WORK!!
public void GetData(FileStream f, ushort [] buf, int startsamp, int nsamps)
{
    f.Position = startsamp*sizeof(ushort);
    f.Read(buf, 0, nsamps);
}

但是没有Read()方法接受一个ushort []数组,只有一个byte []数组.

这可以直接在C#中完成,还是需要使用非托管代码或第三方库,还是必须采用CPU密集型逐个样本转换？虽然"安全"是首选,但我可以使用"不安全"的代码,或者使用Marshal的一些技巧,我还没想到它.

谢谢你的指导!

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[UPDATE]

我想按照dtb的建议添加一些代码,因为似乎有很少的ReadArray实例.这是一个非常简单的,没有显示错误检查.

public void ReadMap(string fname, short [] data, int startsamp, int nsamps)
{
    var mmf = MemoryMappedFile.CreateFromFile(fname);
    var mmacc = mmf.CreateViewAccessor();

    mmacc.ReadArray(startsamp*sizeof(short), data, 0, nsamps);
}

数据被安全地转储到您传递的数组中.您还可以为更复杂的类型指定类型.它似乎能够自己推断出简单类型,但是使用类型说明符,它看起来像这样:

    mmacc.ReadArray<short>(startsamp*sizeof(short), data, 0, nsamps);

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[UPATE2]

我希望按照Ben的获胜答案添加代码,以"裸骨"形式(类似于上面)进行比较.此代码经过编译和测试,可以正常运行.我直接在DllImport(而不是更常用的IntPtr)中使用SafeFileHandle类型来简化操作.

[DllImport("kernel32.dll", SetLastError=true)]
[return:MarshalAs(UnmanagedType.Bool)]
static extern bool ReadFile(SafeFileHandle handle, IntPtr buffer, uint numBytesToRead, out uint numBytesRead, IntPtr overlapped);

[DllImport("kernel32.dll", SetLastError=true)]
[return:MarshalAs(UnmanagedType.Bool)]
static extern bool SetFilePointerEx(SafeFileHandle hFile, long liDistanceToMove, out long lpNewFilePointer, uint dwMoveMethod);

unsafe void ReadPINV(FileStream f, short[] buffer, int startsamp, int nsamps)
{
    long unused; uint BytesRead;
    SafeFileHandle nativeHandle = f.SafeFileHandle; // clears Position property
    SetFilePointerEx(nativeHandle, startsamp*sizeof(short), out unused, 0);

    fixed(short* pFirst = &buffer[0])
        ReadFile(nativeHandle, (IntPtr)pFirst, (uint)nsamps*sizeof(short), out BytesRead, IntPtr.Zero);
}

Answer 1

您可以使用MemoryMappedFile.对内存映射文件后,可以创建一个提供ReadArray <T>方法的视图(即MemoryMappedViewAccessor).此方法可以从文件中读取结构而不进行编组,并且它适用于基本类型.ushort

Answer 2

dtb 的答案是一种更好的方法（实际上，它也必须复制数据，没有任何好处），但我只是想指出，要从字节数组中提取 ushort 值，您应该使用BitConverter而不是BinaryReader

编辑：p/调用ReadFile的示例代码：

[DllImport("kernel32.dll", SetLastError=true)]
[return:MarshalAs(UnmanagedType.Bool)]
static extern bool ReadFile(IntPtr handle, IntPtr buffer, uint numBytesToRead, out uint numBytesRead, IntPtr overlapped);

[DllImport("kernel32.dll", SetLastError=true)]
[return:MarshalAs(UnmanagedType.Bool)]
static extern bool SetFilePointerEx(IntPtr hFile, long liDistanceToMove, out long lpNewFilePointer, uint dwMoveMethod);

unsafe bool read(FileStream fs, ushort[] buffer, int offset, int count)
{
  if (null == fs) throw new ArgumentNullException();
  if (null == buffer) throw new ArgumentNullException();
  if (offset < 0 || count < 0 || offset + count > buffer.Length) throw new ArgumentException();
  uint bytesToRead = 2 * count;
  if (bytesToRead < count) throw new ArgumentException(); // detect integer overflow
  long offset = fs.Position;
  SafeFileHandle nativeHandle = fs.SafeFileHandle; // clears Position property
  try {
    long unused;
    if (!SetFilePositionEx(nativeHandle, offset, out unused, 0);
    fixed (ushort* pFirst = &buffer[offset])
      if (!ReadFile(nativeHandle, new IntPtr(pFirst), bytesToRead, out bytesToRead, IntPtr.Zero)
        return false;
    if (bytesToRead < 2 * count)
      return false;
    offset += bytesToRead;
    return true;
  }
  finally {
    fs.Position = offset; // restore Position property
  }
}