Работа с бинарными данными и реестром Windows на платформе .NET

private byte[] PutData()
{
	AcedMemoryWriter w = new AcedMemoryWriter();
	w.WriteByteArray(new byte[] {5, 6, 7, 8, 9});
	w.WriteInt16(10000);
	int[] otherValues = new int[120];
	for (int i = 0; i < 120; i += 3)
	{
		otherValues[i] = 1;
		otherValues[i + 1] = 2;
		otherValues[i + 2] = 3;
	}
	w.Write(otherValues, 10, 100);
	w.WriteString("Hello world!");

	////////////////////////////////////////////////////////////
	// Вариант 1: данные возвращаются как есть с добавлением
	//   контрольной суммы Адлера.
	////////////////////////////////////////////////////////////
	
	return w.ToArray();

	/*
	////////////////////////////////////////////////////////////
	// Вариант 2: данные сжимаются и защищаются контрольной
	//   суммой Адлера.
	////////////////////////////////////////////////////////////
	
	return w.ToArray(AcedCompressionMode.Fast);
	*/

	/*
	////////////////////////////////////////////////////////////
	// Вариант 3: данные сжимаются, шифруются и защищаются
	//   цифровой сигнатурой RipeMD-160.
	////////////////////////////////////////////////////////////
	
	return w.ToArray(AcedCompressionMode.Fast,
		new Guid("CA761232-ED42-11CE-BACD-00AA0057B223"));
	*/
}

В данном примере функция PutData() помещает в бинарный поток массив байт как целый объект, потом значение типа Int16, затем фрагмент массива элементов типа Int32, а в конце – строку символов. Результатом функции может быть просто массив байт, содержащий данные, записанные в поток, защищенные контрольной суммой Адлера. Размер этого массива составляет 443 байта. Если передать в функцию AcedMemoryWriter.ToArray() параметр compressionMode со значением AcedCompression.Fast, данные бинарного потока будут упакованы и размер полученного массива составит 51 байт. Если, кроме того, передать некоторое непустое значение типа Guid в параметре keyGuid, сжатые данные будут защищены цифровой сигнатурой RipeMD-160 и зашифрованы методом CAST-128. За счет добавления сигнатуры размер выходного массива увеличится при этом на 20 байт и составит 71 байт.

Класс AcedMemoryReader

Предназначен для чтения данных из массива байт, созданного экземпляром класса AcedMemoryWriter. В конструктор класса AcedMemoryReader передается ссылка на массив байт с указанием фрагмента, содержащего данные бинарного потока. Если данные зашифрованы, в последнем параметре конструктора необходимо передать значение типа System.Guid, соответствующее ключу шифра, который использовался при вызове метода ToArray() класса AcedMemoryWriter. Отдельные значения могут быть прочитаны из потока методами, названия которых состоят из префикса "Read" и наименования типа читаемого значения. Фрагменты массивов, состоящих из элементов стандартных value-типов, считываются методом Read(). Для возвращения текущей позиции на начало потока, чтобы заново прочитать данные, используется метод Reset(). Чтобы пропустить некоторое количество байт во входном потоке вызывается метод Skip(). При попытке чтения данных за пределами потока возникает исключение типа AcedReadBeyondTheEndException.

Свойство Position класса AcedMemoryReader возвращает индекс следующего считываемого байта во внутреннем массиве, ссылка на который возвращается функцией GetBuffer(). Размер внутреннего массива определяется свойством Size. Смещение во внутреннем массиве, с которого начинаются данные потока – свойством Offset. Если исходный массив байт, переданный в конструктор класса, является упакованным, в памяти создается новый массив для распакованных данных. Тогда функция GetBuffer() возвращает ссылку на этот временный массив, а свойство Offset всегда равно нулю. Если же исходный массив не является упакованным, функция GetBuffer() возвращает ссылку на массив, переданный параметром bytes в конструктор класса AcedMemoryReader. Если данные потока зашифрованы, массив байт, передаваемый в конструктор этого класса, расшифровывается на месте. Это означает, что один и тот же зашифрованный массив байт нельзя использовать для инициализации нескольких экземпляров класса AcedMemoryReader.

Если при создании экземпляра класса AcedMemoryReader в конструктор передан массив недостаточной длины или рассчитанная для него контрольная сумма Адлера не совпадает с сохраненным в потоке значением контрольной суммы, возникает исключение AcedDataCorruptedException. Если после дешифрования данных оказывается, что рассчитанное значение цифровой сигнатуры RipeMD-160 для данных потока не совпадает со значением сигнатуры, сохраненным в начале массива данных, возникает исключение AcedWrongDecryptionKeyException, которое является потомком от класса AcedDataCorruptedException.

Пример использования класса AcedMemoryReader:

private void GetData(byte[] dataBytes, out byte[] bytes,
	out short n, out string s, out int[] otherValues)
{
	AcedMemoryReader r = new AcedMemoryReader(dataBytes, 0, dataBytes.Length);
	/*
	AcedMemoryReader r = new AcedMemoryReader(dataBytes, 0, dataBytes.Length,
		new Guid("CA761232-ED42-11CE-BACD-00AA0057B223"));
	*/
	bytes = r.ReadByteArray();
	n = r.ReadInt16();
	otherValues = new int[120];
	r.Read(otherValues, 10, 100);
	s = r.ReadString();
}

Предполагается, что массив байт, передаваемый параметром dataBytes в функцию GetData(), получен как результат функции PutData(), код которой приведен выше в разделе, описывающем класс AcedMemoryWriter. Используемый здесь конструктор класса AcedMemoryReader предполагает, что данные в бинарном потоке не зашифрованы. Закомментированный фрагмент кода содержит вызов конструктора с передачей в него ключа шифра, соответствующего варианту 3 функции PutData().

Классы AcedStreamWriter, AcedStreamReader

Эти классы аналогичны описанным выше классам AcedMemoryWriter, AcedMemoryReader. При их использовании, однако, данные помещаются не в массив байт, а в поток типа System.IO.Stream, ассоциированный с экземпляром класса AcedStreamWriter, и читаются не из массива байт, а из потока типа System.IO.Stream, ассоциированного с классом AcedStreamReader.

При работе с классом AcedStreamWriter в памяти создается буфер размером 2МБ, который постепенно заполняется данными. При достижении конца буфера, вызове методов Flush() или Close() класса AcedStreamWriter содержимое буфера упаковывается методом Compress() класса AcedDeflator. Сжатые данные сохраняются в другом буфере, размер которого также составляет 2МБ. Для упакованных данных вычисляется цифровая сигнатура RipeMD-160, после чего данные шифруются методом CAST-128. Длина фрагмента данных, контрольная сумма Адлера, цифровая сигнатура RipeMD-160 и сами сжатые и зашифрованные данные записываются в выходной поток типа System.IO.Stream. После этого содержимое буфера очищается и в него можно записывать следующие данные. При вызове метода Close() класса AcedStreamWriter, если ассоциированный с ним поток поддерживает операцию Seek, поток позиционируется на начало записанных данных и в потоке сохраняется общая длина (в байтах) данных, помещенных в поток классом AcedStreamWriter. Этот размер представляется значением типа System.Int64. Если операция Seek не поддерживается потоком типа System.IO.Stream, длина остается равной значению -1, записанному в поток при его ассоциации с классом AcedStreamWriter. Метод AssignStream класса AcedStreamWriter используется, чтобы связать данный экземпляр класса с потоком System.IO.Stream. Кроме ссылки на поток в этот метод передается константа, выбирающая режим сжатия данных, а также значение типа System.Guid, которое, если оно отлично от Guid.Empty, задает ключ для шифрования данных. Таким образом, в зависимости от параметров, переданных в метод AssignStream, этапы сжатия данных, расчета цифровой сигнатуры и шифрования данных могут опускаться.

Чтобы прочитать данные, сохраненные в потоке System.IO.Stream классом AcedStreamWriter, нужно воспользоваться классом AcedStreamReader. Экземпляр этого класса может быть ассоциирован с потоком типа System.IO.Stream с помощью метода AssignStream. Если данные, помещенные в поток, зашифрованы, при вызове метода AssignStream следует указать ключ шифра в виде значения типа System.Guid. В методе AssignStream сразу считывается длина фрагмента данных, помещенного в поток классом AcedStreamWriter. Это значение возвращается свойством Length класса AcedStreamReader. Длина может быть равна значению -1, если не было возможности сохранить в потоке настоящее значение длины. В экземпляре класса AcedStreamReader также имеется два буфера, каждый размером по 2МБ. Первый предназначен для данных, считанных из потока System.IO.Stream, второй – для распакованных данных. Когда вызывается один из методов Read… класса AcedStreamReader, сначала предпринимается попытка считать значение из буфера распакованных данных. Если достигнут конец буфера, из потока System.IO.Stream считывается следующий фрагмент данных. Для этого фрагмента проверяется значение контрольной суммы Адлера. Затем, если данные зашифрованы, выполняется их дешифрование и проверка цифровой сигнатуры RipeMD-160. Потом, если данные упакованы, производится их распаковка во второй буфер. Теперь значение может быть прочитано и возвращено функцией Read…. При чтении из потока длинных массивов перегруженным методом Read() класса AcedStreamReader возможна ситуация, когда для считывания всего массива приходится несколько раз заполнять внутренний буфер данными из потока System.IO.Stream.

Так как экземпляры классов AcedStreamWriter и AcedStreamReader занимают собой значительный объем памяти (каждый свыше 4МБ), создавать их при каждом чтении из потока нерационально. Сборщик мусора в .NET Framework автоматически относит блоки памяти свыше 85000 байт ко второму поколению (об этом см. в книге Джеффри Рихтера "Программирование на платформе .NET Framework" – M.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2003). Такие блоки лучше использовать для ресурсов с длительным временем существования. В противном случае, частое пересоздание больших блоков памяти отрицательно сказывается на общей производительности приложения. Для решения этой проблемы в классах AcedStreamWriter и AcedStreamReader имеется статическое свойство Instance, которое при первом обращении к нему создает экземпляр соответствующего класса, а при следующих обращениях просто возвращает ссылку на существующий экземпляр. Тогда, вместо того, чтобы создавать новые экземпляры классов вызовом соответствующих конструкторов, лучше воспользоваться единственным экземпляром, возвращаемым свойством Instance. Этот подход аналогичен тому, который применяется в классах AcedDeflator и AcedInflator. Чтобы освободить занимаемую память можно вызвать статический метод Release(), освобождающий ссылку на экземпляр соответствующего класса.

После помещения всех данных в поток AcedStreamWriter, а также после чтения необходимых данных из потока AcedStreamReader, нужно вызвать метод Close() для выполнения завершающих действий. Если в параметре closeStream метода Close() передано значение True, поток типа System.IO.Stream, ассоциированный с данным экземпляром класса AcedStreamWriter или AcedStreamReader, закрывается вызовом метода Close() потока.

Классы AcedWriterStream, AcedReaderStream

Эти классы представляют собой оболочку над другими классами, предназначенными для работы с бинарным потоком. Они используются, когда надо представить экземпляры других классов в виде объектов, производных от класса System.IO.Stream.

Класс AcedWriterStream является потомком класса System.IO.Stream и предназначен для записи данных в потоки типа AcedMemoryWriter и AcedStreamWriter. В его конструктор передается ссылка на интерфейс IAcedWriter, который поддерживается классами AcedMemoryWriter и AcedStreamWriter. Класс AcedWriterStream используется только для записи данных в поток, поэтому его свойства CanRead и CanSeek возвращают значение False, а свойство CanWrite – значение True. Вызов методов Write(), WriteByte(), Flush(), Close() перенаправляется соответствующим методам объекта, реализующего интерфейс IAcedWriter. При чтении свойств Length и Position возвращается число байт, помещенное в выходной бинарный поток. Однако, присвоение значения свойству Position или вызов методов Read(), ReadByte(), Seek(), SetLength() приводит к возникновению исключения типа System.NotSupportedException. Свойство Writer класса AcedWriterStream возвращает ссылку на объект, реализующий интерфейс IAcedWriter, которая была передана в конструктор класса при его создании.

Аналогичным образом применяется класс AcedReaderStream, который также является потомком класса System.IO.Stream. Этот класс предназначен для чтения данных из потоков типа AcedMemoryReader и AcedStreamReader, реализующих интерфейс IAcedReader. Класс AcedReaderStream предназначен исключительно для чтения данных, поэтому его свойство CanRead возвращает значение True, а свойства CanWrite и CanSeek возвращают значение False. Вызов методов Read(), ReadByte(), Close() перенаправляется соответствующим методам объекта, реализующего интерфейс IAcedReader. При чтении свойства Position возвращается текущая позиция в потоке относительно начала данных. Свойство Length возвращает общее число байт, которое может быть прочитано из потока. В некоторых случаях количество байт, помещенное в поток, неизвестно. Тогда свойство Length возвращает значение -1. Попытка присвоения значения свойству Position или вызова одного из следующих методов: Seek(), SetLength(), Write(), WriteByte() заканчивается возникновением исключения типа System.NotSupportedException. Свойство Reader класса AcedReaderStream возвращает интерфейс IAcedReader, переданный в конструктор класса. Подробную информацию о свойствах и методах интерфейсов IAcedWriter, IAcedReader можно найти в файле Interfaces.cs исходного кода.

Класс AcedRegistry

AcedRegistry восполняет собой отсутствие в .NET Framework класса, подобного классу TRegistry в Borland Delphi. Его особенностью по сравнению со стандартным классом Microsoft.Win32.Registry является наличие специальных методов для помещения в реестр значений различного типа и для чтения соответствующих значений из реестра. Класс AcedRegistry включает методы для работы с данными, которые представлены значениями следующих типов: String, Byte[], Int32, Boolean, DateTime, Decimal, Double, Guid, Int64.

Работа с классом AcedRegistry начинается с вызова конструктора, который принимает три параметра: первый (registryBaseKey) – выбирает ветвь реестра, такую как HKEY_CURRENT_USER или HKEY_LOCAL_MACHINE; второй параметр (registryKey) указывает наименование ключа реестра, с которым предполагается работать; третий параметр задает режим работы: только чтение или чтение/запись. Если указанный ключ не существует, то при открытии его в режиме "только для чтения" ошибка не возникает. Тогда каждое обращение к функциям Get() для чтения значений ключа вернет False, а при вызове GetDef() будет возвращаться значение по умолчанию. При открытии ключа в режиме, допускающем запись, если он отсутствует, соответствующий ключ немедленно создается в реестре. Обратиться к объекту типа Microsoft.Win32.RegistryKey, представляющему открытый ключ реестра, можно через свойство RegistryKey класса AcedRegistry.

Перегруженный метод Put() предназначен для записи в реестр значений различного типа. Функция Get() считывает значение с указанным именем и сохраняет его в переменной, передаваемой как ref-параметр. Если запрашиваемое значение присутствует в реестре, функция возвращает True. Функция GetDef() отличается от Get() тем, что она возвращает прочитанное значение как результат функции. Если соответствующее значение отсутствует в реестре, GetDef() возвращает значение по умолчанию, которое задается вторым параметром при вызове этой функции.

В конце работы с экземпляром класса AcedRegistry для него обязательно надо вызвать метод Dispose(). При использовании языка C# удобно поместить создание класса AcedRegistry в блок using для гарантированного освобождения unmanaged-ресурсов.

Пример использования класса AcedRegistry:

private const string
	DemoRegistryKey = "Software\\AcedUtils.NET\\Demo",
	cfgStreamFileName = "StreamFileName",
	cfgCompressionMode = "CompressionMode";

private static string _streamFileName = String.Empty;
private static AcedCompressionMode _compressionMode;

private static void LoadConfig()
{
using (AcedRegistry config = new AcedRegistry(AcedBaseKey.CurrentUser, DemoRegistryKey, false))
	{
config.Get(cfgStreamFileName, ref _streamFileName);
_compressionMode = (AcedCompressionMode)config.GetDef(cfgCompressionMode, 0);
	}
}

private static void SaveConfig()
{
using (AcedRegistry config = new AcedRegistry(AcedBaseKey.CurrentUser, DemoRegistryKey, true))
	{
config.Put(cfgStreamFileName, _streamFileName);

config.Put(cfgCompressionMode, (int)_compressionMode);
	}
}

Данный пример взят из демонстрационного проекта, прилагаемого к статье. Значения статических полей _streamFileName и _compressionMode сохраняются в реестре методом SaveConfig() и считываются из реестра методом LoadConfig(). Тип AcedCompressionMode представляет собой перечисление, которое нужно привести к типу System.Int32, чтобы поместить его в реестр. После чтения из реестра с помощью GetDef() значение должно быть преобразовано обратно к типу AcedCompressionMode.

Описание демонстрационного проекта

Чтобы проиллюстрировать различные способы работы с бинарными данными с помощью рассмотренных выше классов, разработано небольшое приложение, которое представляет собой примитивный аналог архиватора файлов. Верхняя часть главной формы используется для помещения в бинарный поток данных произвольных файлов. При нажатии на кнопку "Добавить файл" пользователю предлагается выбрать на диске файл, который будет добавлен в поток. После помещения в поток одного или нескольких файлов можно сохранить весь поток на диске в виде одного файла. Причем данные при этом могут быть упакованы и зашифрованы. Чтобы проверить механизм контроля целостности данных, можно немного повредить данные в выходном потоке при сохранении его на диске. Для этого нужно пометить опцию "Инвертировать третий байт". Нижняя часть формы позволяет загрузить данные потока из файла на диске. Если поток зашифрован, перед чтением с диска надо установить опцию "Расшифровывать с паролем" и указать соответствующий пароль в поле ввода. Кроме данных, в бинарном потоке сохраняются имена и размеры файлов, которые отображаются в соответствующем списке после чтения потока с диска. Отдельные файлы из этого списка можно пометить и выгрузить нажатием кнопки "Сохранить отмеченный файл".

Информация об имени файла потока, а также об использованном режиме сжатия сохраняется в реестре с помощью класса AcedRegistry и восстанавливается при следующем запуске программы. При добавлении очередного файла в бинарный поток сначала записывается его имя методом AcedMemoryWriter.WriteString(), потом длина файла в байтах методом AcedMemoryWriter.WriteInt32(), затем в потоке резервируется место для самих данных вызовом AcedMemoryWriter.Skip(). Фактическое заполнение данными происходит при вызове метода FileStream.Read(), в который передается ссылка на внутренний массив экземпляра класса AcedMemoryWriter, возвращаемый функцией GetBuffer(), и смещение, соответствующее длине потока до вызова метода Skip(). При сохранении потока на диске ключ шифрования получается как значение односторонней хэш-функции RipeMD-160 для строки символов, введенной пользователем в качестве пароля. Это значение преобразуется к типу System.Guid вызовом метода AcedRipeMD.ToGuid() и передается в метод ToArray() класса AcedMemoryWriter.

В момент загрузки потока с диска проверяется его контрольная сумма. Затем данные потока расшифровываются и для них проверяется сигнатура RipeMD-160, после чего данные распаковываются. Из потока читаются имена и размеры файлов методами AcedMemoryReader.ReadString() и AcedMemoryReader.ReadInt32(). Для каждого файла вычисляется значение сигнатуры RipeMD-160. Эта информация помещается в список типа ListView. Сами данные пропускаются вызовом метода AcedMemoryReader.Skip(). В свойстве Tag каждого элемента типа ListViewItem списка сохраняется соответствующее ему смещение данных относительно начала потока. Когда пользователь выбрал элемент списка и нажал кнопку "Сохранить отмеченный файл", поток позиционируется на начало методом AcedMemoryReader.Reset(), а затем текущая позиция смещается на число байт, соответствующее значению свойства Tag элемента списка. После создания соответствующего файла на диске, данные выгружаются в файл напрямую из бинарного потока, минуя промежуточные массивы. Для этого в метод FileStream.Write() передается ссылка на внутренний массив экземпляра класса AcedMemoryReader с указанием смещения, равного текущей позиции в потоке.

В этом приложении демонстрируются также способы работы с потоками на базе классов AcedStreamWriter и AcedStreamReader. При нажатии кнопок в нижней части главной формы приложения вызывается функция TestStreams(). Если параметр useAcedStreams этой функции равен False, в качестве основного хранилища данных используется стандартный класс System.IO.MemoryStream. Функция TestStreams() подготавливает некоторые разнотипные данные, а затем передает их в метод PutData(), который должен поместить их в поток типа System.IO.Stream (в данном случае MemoryStream). Метод PutData() ассоциирует экземпляр класса AcedStreamWriter с переданным в нее потоком типа Stream. При этом указывается, что сохраняемые данные должны сжиматься в режиме Fast и шифроваться с ключом, который передается как последний параметр в функцию AssignStream(). Затем данные помещаются в поток с помощью методов класса AcedStreamWriter. Последним вызываемым методом является Close(), которые помещает в поток все буферизованные изменения. После выхода из PutData() заполненный бинарный поток типа MemoryStream превращается в массив байт, а его размер в байтах выводится в окне сообщения. Следующим этапом работы функции TestStreams() является загрузка данных из потока MemoryStream, созданного на основе полученного массива байт. Чтение данные выполняется методом GetData() с помощью экземпляра класса AcedStreamReader, ассоциированного с потоком типа System.IO.Stream (в данном случае MemoryStream).

Если в параметре useAcedStreams функции TestStreams() передано значение True, в качестве хранилища данных вместо MemoryStream используется экземпляр класса AcedMemoryWriter. Так как метод PutData() работает только с потоками типа System.IO.Stream, необходимо создать класс-оболочку AcedWriterStream, который является потомком класса System.IO.Stream и в то же время инкапсулирует экземпляр класса AcedMemoryWriter. Ссылка на класс-оболочку передается в метод PutData(), и через него данные записываются в поток AcedMemoryWriter. В завершении, данные из AcedMemoryWriter превращаются в массив байт вызовом функции ToArray() аналогично предыдущему случаю. На этапе чтения данных в качестве хранилища выступает экземпляр класса AcedMemoryReader, который создается на основе полученного массива байт. Так как метод GetData() загружает данные только из потоков типа System.IO.Stream, создается класс-оболочка AcedReaderStream на основе экземпляра AcedMemoryReader. Ссылка на AcedReaderStream передается в метод GetData(). Таким образом, данные считываются из потока типа AcedMemoryReader посредством класса-оболочки AcedReaderStream, являющегося потомком класса System.IO.Stream.

Заключение

В статье описываются классы, которые могут быть полезны разработчику на платформе .NET. Некоторые из них, такие как AcedRipeMD, AcedDeflator, являются аналогами классов, добавленных в .NET 2.0. Однако, реализация этих алгоритмов в библиотеке AcedUtils.NET представляется все же более эффективной.

Версия текста: 1.03

Загрузить файл AcedUtils.NET.zip