进程之间的通讯

随着人们对应用程序的要求越来越高,单进程应用在许多场合已不能满足人们的要求。编写多进程 / 多线程程序成为现代程序设计的一个重要特点,在多进程程序设计中,进程间的通信是不可避免的。 Microsoft Win32 API 提供了多种进程间通信的方法,全面地阐述了这些方法的特点,并加以比较和分析,希望能给读者选择通信方法提供参考。

 

1 进程与进程通信

进程是装入内存并准备执行的程序,每个进程都有私有的虚拟地址空间,由代码、数据以及它可利用的系统资源 ( 如文件、管道等 ) 组成。多进程 / 多线程是 Windows 操作系统的一个基本特征。 Microsoft Win32 应用编程接口 (Application Programming Interface, API) 提供了大量支持应用程序间数据共享和交换的机制,这些机制行使的活动称为进程间通信 (InterProcess Communication, IPC) ,进程通信就是指不同进程间进行数据共享和数据交换。
  正因为使用 Win32 API 进行进程通信方式有多种,如何选择恰当的通信方式就成为应用开发中的一个重要问题,下面本文将对 Win32 中进程通信的几种方法加以分析和比较。

 

 

2 进程通信方法

2.1 文件映射
  文件映射(Memory-Mapped Files) 能使进程把文件内容当作进程地址区间一块内存那样来对待。因此,进程不必使用文件I/O 操作,只需简单的指针操作就可读取和修改文件的内容。
  Win32 API 允许多个进程访问同一文件映射对象,各个进程在它自己的地址空间里接收内存的指针。通过使用这些指针,不同进程就可以读或修改文件的内容,实现了对文件中数据的共享。
  应用程序有三种方法来使多个进程共享一个文件映射对象。
  (1) 继承:第一个进程建立文件映射对象,它的子进程继承该对象的句柄。
  (2) 命名文件映射:第一个进程在建立文件映射对象时可以给该对象指定一个名字( 可与文件名不同) 。第二个进程可通过这个名字打开此文件映射对象。另外,第一个进程也可以通过一些其它IPC 机制( 有名管道、邮件槽等) 把名字传给第二个进程。
  (3) 句柄复制:第一个进程建立文件映射对象,然后通过其它IPC 机制( 有名管道、邮件槽等) 把对象句柄传递给第二个进程。第二个进程复制该句柄就取得对该文件映射对象的访问权限。
  文件映射是在多个进程间共享数据的非常有效方法,有较好的安全性。但文件映射只能用于本地机器的进程之间,不能用于网络中,而开发者还必须控制进程间的同步。
2.2
共享内存
  Win32 API 中共享内存(Shared Memory) 实际就是文件映射的一种特殊情况。进程在创建文件映射对象时用0xFFFFFFFF 来代替文件句柄(HANDLE) ,就表示了对应的文件映射对象是从操作系统页面文件访问内存,其它进程打开该文件映射对象就可以访问该内存块。由于共享内存是用文件映射实现的,所以它也有较好的安全性,也只能运行于同一计算机上的进程之间。
2.3
匿名管道
  管道(Pipe) 是一种具有两个端点的通信通道:有一端句柄的进程可以和有另一端句柄的进程通信。管道可以是单向-一端是只读的,另一端点是只写的;也可以是双向的一管道的两端点既可读也可写。
  匿名管道(Anonymous Pipe) 是在父进程和子进程之间,或同一父进程的两个子进程之间传输数据的无名字的单向管道。通常由父进程创建管道,然后由要通信的子进程继承通道的读端点句柄或写端点句柄,然后实现通信。父进程还可以建立两个或更多个继承匿名管道读和写句柄的子进程。这些子进程可以使用管道直接通信,不需要通过父进程。
  匿名管道是单机上实现子进程标准I/O 重定向的有效方法,它不能在网上使用,也不能用于两个不相关的进程之间。
2.4
命名管道
  命名管道(Named Pipe) 是服务器进程和一个或多个客户进程之间通信的单向或双向管道。不同于匿名管道的是命名管道可以在不相关的进程之间和不同计算机之间使用,服务器建立命名管道时给它指定一个名字,任何进程都可以通过该名字打开管道的另一端,根据给定的权限和服务器进程通信。
  命名管道提供了相对简单的编程接口,使通过网络传输数据并不比同一计算机上两进程之间通信更困难,不过如果要同时和多个进程通信它就力不从心了。
2.5
邮件槽
  邮件槽(Mailslots) 提供进程间单向通信能力,任何进程都能建立邮件槽成为邮件槽服务器。其它进程,称为邮件槽客户,可以通过邮件槽的名字给邮件槽服务器进程发送消息。进来的消息一直放在邮件槽中,直到服务器进程读取它为止。一个进程既可以是邮件槽服务器也可以是邮件槽客户,因此可建立多个邮件槽实现进程间的双向通信。
  通过邮件槽可以给本地计算机上的邮件槽、其它计算机上的邮件槽或指定网络区域中所有计算机上有同样名字的邮件槽发送消息。广播通信的消息长度不能超过400 字节,非广播消息的长度则受邮件槽服务器指定的最大消息长度的限制。
  邮件槽与命名管道相似,不过它传输数据是通过不可靠的数据报(TCP/IP 协议中的UDP) 完成的,一旦网络发生错误则无法保证消息正确地接收,而命名管道传输数据则是建立在可靠连接基础上的。不过邮件槽有简化的编程接口和给指定网络区域内的所有计算机广播消息的能力,所以邮件槽不失为应用程序发送和接收消息的另一种选择。
2.6
剪贴板
  剪贴板(Clipped Board) 实质是Win32 API 中一组用来传输数据的函数和消息,为Windows 应用程序之间进行数据共享提供了一个中介,Windows 已建立的剪切( 复制) -粘贴的机制为不同应用程序之间共享不同格式数据提供了一条捷径。当用户在应用程序中执行剪切或复制操作时,应用程序把选取的数据用一种或多种格式放在剪贴板上。然后任何其它应用程序都可以从剪贴板上拾取数据,从给定格式中选择适合自己的格式。
  剪贴板是一个非常松散的交换媒介,可以支持任何数据格式,每一格式由一无符号整数标识,对标准( 预定义) 剪贴板格式,该值是Win32 API 定义的常量;对非标准格式可以使用Register Clipboard Format 函数注册为新的剪贴板格式。利用剪贴板进行交换的数据只需在数据格式上一致或都可以转化为某种格式就行。但剪贴板只能在基于Windows 的程序中使用,不能在网络上使用。
2.7
动态数据交换
  动态数据交换(DDE) 是使用共享内存在应用程序之间进行数据交换的一种进程间通信形式。应用程序可以使用DDE 进行一次性数据传输,也可以当出现新数据时,通过发送更新值在应用程序间动态交换数据。
  DDE 和剪贴板一样既支持标准数据格式( 如文本、位图等) ,又可以支持自己定义的数据格式。但它们的数据传输机制却不同,一个明显区别是剪贴板操作几乎总是用作对用户指定操作的一次性应答-如从菜单中选择Paste 命令。尽管DDE 也可以由用户启动,但它继续发挥作用一般不必用户进一步干预。DDE 有三种数据交换方式:
  (1) 冷链:数据交换是一次性数据传输,与剪贴板相同。
  (2) 温链:当数据交换时服务器通知客户,然后客户必须请求新的数据。
  (3) 热链:当数据交换时服务器自动给客户发送数据。
  DDE 交换可以发生在单机或网络中不同计算机的应用程序之间。开发者还可以定义定制的DDE 数据格式进行应用程序之间特别目的IPC ,它们有更紧密耦合的通信要求。大多数基于Windows 的应用程序都支持DDE
2.8
对象连接与嵌入
  应用程序利用对象连接与嵌入(OLE) 技术管理复合文档( 由多种数据格式组成的文档)OLE 提供使某应用程序更容易调用其它应用程序进行数据编辑的服务。例如,OLE 支持的字处理器可以嵌套电子表格,当用户要编辑电子表格时OLE 库可自动启动电子表格编辑器。当用户退出电子表格编辑器时,该表格已在原始字处理器文档中得到更新。在这里电子表格编辑器变成了字处理器的扩展,而如果使用DDE ,用户要显式地启动电子表格编辑器。
  同DDE 技术相同,大多数基于Windows 的应用程序都支持OLE 技术。
2.9
动态连接库
  Win32 动态连接库(DLL) 中的全局数据可以被调用DLL 的所有进程共享,这就又给进程间通信开辟了一条新的途径,当然访问时要注意同步问题。
  虽然可以通过DLL 进行进程间数据共享,但从数据安全的角度考虑,我们并不提倡这种方法,使用带有访问权限控制的共享内存的方法更好一些。
2.10
远程过程调用
  Win32 API 提供的远程过程调用(RPC) 使应用程序可以使用远程调用函数,这使在网络上用RPC 进行进程通信就像函数调用那样简单。RPC 既可以在单机不同进程间使用也可以在网络中使用。
  由于Win32 API 提供的RPC 服从OSF-DCE(Open Software Foundation Distributed Computing Environment) 标准。所以通过Win32 API 编写的RPC 应用程序能与其它操作系统上支持DECRPC 应用程序通信。使用RPC 开发者可以建立高性能、紧密耦合的分布式应用程序。
2.11 NetBios
函数
  Win32 API 提供NetBios 函数用于处理低级网络控制,这主要是为IBM NetBios 系统编写与Windows 的接口。除非那些有特殊低级网络功能要求的应用程序,其它应用程序最好不要使用NetBios 函数来进行进程间通信。
2.12 Sockets
  Windows Sockets 规范是以U.C.Berkeley 大学BSD UNIX 中流行的Socket 接口为范例定义的一套Windows 下的网络编程接口。除了Berkeley Socket 原有的库函数以外,还扩展了一组针对Windows 的函数,使程序员可以充分利用Windows 的消息机制进行编程。
  现在通过Sockets 实现进程通信的网络应用越来越多,这主要的原因是Sockets 的跨平台性要比其它IPC 机制好得多,另外WinSock 2.0 不仅支持TCP/IP 协议,而且还支持其它协议(IPX)Sockets 的唯一缺点是它支持的是底层通信操作,这使得在单机的进程间进行简单数据传递不太方便,这时使用下面将介绍的WM_COPYDATA 消息将更合适些。
2.13 WM_COPYDATA
消息
  WM_COPYDATA 是一种非常强大却鲜为人知的消息。当一个应用向另一个应用传送数据时,发送方只需使用调用SendMessage 函数,参数是目的窗口的句柄、传递数据的起始地址、WM_COPYDATA 消息。接收方只需像处理其它消息那样处理WM_COPY DATA 消息,这样收发双方就实现了数据共享。
  WM_COPYDATA 是一种非常简单的方法,它在底层实际上是通过文件映射来实现的。它的缺点是灵活性不高,并且它只能用于Windows 平台的单机环境下。

3 结束语

  Win32 API 为应用程序实现进程间通信提供了如此多种选择方案,那么开发者如何进行选择呢?通常在决定使用哪种IPC 方法之前应考虑以下一些问题:
  (1) 应用程序是在网络环境下还是在单机环境下工作。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

内存共享:

    可想而知,如果物理内存只有一份,让这份内存在不同的进程中,映射到各自的虚拟地址空间上,每个进程都可以读取同一份数据,是一种最高效的数据交换方法。下面我们就讨论如何实现它。

共享内存在 Windows 中是用 FileMapping 实现的。我们可以用 CreateFileMapping 创建一个内存文件映射对象, CreateFileMapping 这个 API 将创建一个内核对象,用于映射文件到内存。这里,我们并不需要一个实际的文件,所以,就不需要调用 CreateFile 创建一个文件, hFile 这个参数可以填写 INVALID_HANDLE_VALUE 。但是,文件长度是需要填的。Windows 支持长达 64bit 的文件,但是这里,我们的需求一定不会超过 4G dwMaximumSizeHigh 一定是 0 ,长度填在 dwMaximumSizeLow 即可( 以我们共享的数据类型的大小为准) 。然后调用 MapViewOfFile 映射到当前进程的虚拟地址上即可。一旦用完共享内存,再调用 UnmapViewOfFile 回收内存地址空间。

Windows CreateFileMapping MapViewOfFile 两个 API 分开做是有它的道理的。这是因为允许映射一个超过 4G 的文件,而地址空间最大只有 4G ( 实际上,一般用户的程序只能用到 2G) MapViewOfFile 就可以指定文件的 Offset 而只映射一部分。

CreateFileMapping 的最后一个参数 pszName 填写一个名字,那么别的进程就可以用这个名字去调用 OpenFileMapping 来打开这个 FileMapping 对象,在新的进程内作映射。

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