Win32應(yīng)用程序中進程間通信方法分析與比較

來源:Intetnet

1 進程與進程通信

　　進程是裝入內(nèi)存并準備執(zhí)行的程序，每個進程都有私有的虛擬地址空間，由代碼、數(shù)據(jù)以及它可利用的系統(tǒng)資源(如文件、管道等)組成。多進程/多線程是Windows操作系統(tǒng)的一個基本特征。Microsoft Win32應(yīng)用編程接口(Application Programming Interface, API)提供了大量支持應(yīng)用程序間數(shù)據(jù)共享和交換的機制，這些機制行使的活動稱為進程間通信(InterProcess Communication, IPC)，進程通信就是指不同進程間進行數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換。
　　正因為使用Win32 API進行進程通信方式有多種，如何選擇恰當?shù)耐ㄐ欧绞骄统蔀閼?yīng)用開發(fā)中的一個重要問題，下面本文將對Win32中進程通信的幾種方法加以分析和比較。

2 進程通信方法

2.1 文件映射
　　文件映射(Memory-Mapped Files)能使進程把文件內(nèi)容當作進程地址區(qū)間一塊內(nèi)存那樣來對待。因此，進程不必使用文件I/O操作，只需簡單的指針操作就可讀取和修改文件的內(nèi)容。
　　Win32 API允許多個進程訪問同一文件映射對象，各個進程在它自己的地址空間里接收內(nèi)存的指針。通過使用這些指針，不同進程就可以讀或修改文件的內(nèi)容，實現(xiàn)了對文件中數(shù)據(jù)的共享。
　　應(yīng)用程序有三種方法來使多個進程共享一個文件映射對象。
　　(1)繼承：第一個進程建立文件映射對象，它的子進程繼承該對象的句柄。
　　(2)命名文件映射：第一個進程在建立文件映射對象時可以給該對象指定一個名字(可與文件名不同)。第二個進程可通過這個名字打開此文件映射對象。另外，第一個進程也可以通過一些其它IPC機制(有名管道、郵件槽等)把名字傳給第二個進程。
　　(3)句柄復(fù)制：第一個進程建立文件映射對象，然后通過其它IPC機制(有名管道、郵件槽等)把對象句柄傳遞給第二個進程。第二個進程復(fù)制該句柄就取得對該文件映射對象的訪問權(quán)限。
　　文件映射是在多個進程間共享數(shù)據(jù)的非常有效方法，有較好的安全性。但文件映射只能用于本地機器的進程之間，不能用于網(wǎng)絡(luò)中，而開發(fā)者還必須控制進程間的同步。
2.2 共享內(nèi)存
　　Win32 API中共享內(nèi)存(Shared Memory)實際就是文件映射的一種特殊情況。進程在創(chuàng)建文件映射對象時用0xFFFFFFFF來代替文件句柄(HANDLE)，就表示了對應(yīng)的文件映射對象是從操作系統(tǒng)頁面文件訪問內(nèi)存，其它進程打開該文件映射對象就可以訪問該內(nèi)存塊。由于共享內(nèi)存是用文件映射實現(xiàn)的，所以它也有較好的安全性，也只能運行于同一計算機上的進程之間。
2.3 匿名管道
　　管道(Pipe)是一種具有兩個端點的通信通道：有一端句柄的進程可以和有另一端句柄的進程通信。管道可以是單向－一端是只讀的，另一端點是只寫的；也可以是雙向的一管道的兩端點既可讀也可寫。
　　匿名管道(Anonymous Pipe)是在父進程和子進程之間，或同一父進程的兩個子進程之間傳輸數(shù)據(jù)的無名字的單向管道。通常由父進程創(chuàng)建管道，然后由要通信的子進程繼承通道的讀端點句柄或?qū)懚它c句柄，然后實現(xiàn)通信。父進程還可以建立兩個或更多個繼承匿名管道讀和寫句柄的子進程。這些子進程可以使用管道直接通信，不需要通過父進程。
　　匿名管道是單機上實現(xiàn)子進程標準I/O重定向的有效方法，它不能在網(wǎng)上使用，也不能用于兩個不相關(guān)的進程之間。
2.4 命名管道
　　命名管道(Named Pipe)是服務(wù)器進程和一個或多個客戶進程之間通信的單向或雙向管道。不同于匿名管道的是命名管道可以在不相關(guān)的進程之間和不同計算機之間使用，服務(wù)器建立命名管道時給它指定一個名字，任何進程都可以通過該名字打開管道的另一端，根據(jù)給定的權(quán)限和服務(wù)器進程通信。
　　命名管道提供了相對簡單的編程接口，使通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)并不比同一計算機上兩進程之間通信更困難，不過如果要同時和多個進程通信它就力不從心了。
2.5 郵件槽
　　郵件槽(Mailslots)提供進程間單向通信能力，任何進程都能建立郵件槽成為郵件槽服務(wù)器。其它進程，稱為郵件槽客戶，可以通過郵件槽的名字給郵件槽服務(wù)器進程發(fā)送消息。進來的消息一直放在郵件槽中，直到服務(wù)器進程讀取它為止。一個進程既可以是郵件槽服務(wù)器也可以是郵件槽客戶，因此可建立多個郵件槽實現(xiàn)進程間的雙向通信。
　　通過郵件槽可以給本地計算機上的郵件槽、其它計算機上的郵件槽或指定網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中所有計算機上有同樣名字的郵件槽發(fā)送消息。廣播通信的消息長度不能超過400字節(jié)，非廣播消息的長度則受郵件槽服務(wù)器指定的最大消息長度的限制。
　　郵件槽與命名管道相似，不過它傳輸數(shù)據(jù)是通過不可靠的數(shù)據(jù)報(如TCP/IP協(xié)議中的UDP包)完成的，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯誤則無法保證消息正確地接收，而命名管道傳輸數(shù)據(jù)則是建立在可靠連接基礎(chǔ)上的。不過郵件槽有簡化的編程接口和給指定網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的所有計算機廣播消息的能力，所以郵件槽不失為應(yīng)用程序發(fā)送和接收消息的另一種選擇。
2.6 剪貼板
　　剪貼板(Clipped Board)實質(zhì)是Win32 API中一組用來傳輸數(shù)據(jù)的函數(shù)和消息，為Windows應(yīng)用程序之間進行數(shù)據(jù)共享提供了一個中介，Windows已建立的剪切(復(fù)制)－粘貼的機制為不同應(yīng)用程序之間共享不同格式數(shù)據(jù)提供了一條捷徑。當用戶在應(yīng)用程序中執(zhí)行剪切或復(fù)制操作時，應(yīng)用程序把選取的數(shù)據(jù)用一種或多種格式放在剪貼板上。然后任何其它應(yīng)用程序都可以從剪貼板上拾取數(shù)據(jù)，從給定格式中選擇適合自己的格式。
　　剪貼板是一個非常松散的交換媒介，可以支持任何數(shù)據(jù)格式，每一格式由一無符號整數(shù)標識，對標準(預(yù)定義)剪貼板格式，該值是Win32 API定義的常量；對非標準格式可以使用Register Clipboard Format函數(shù)注冊為新的剪貼板格式。利用剪貼板進行交換的數(shù)據(jù)只需在數(shù)據(jù)格式上一致或都可以轉(zhuǎn)化為某種格式就行。但剪貼板只能在基于Windows的程序中使用，不能在網(wǎng)絡(luò)上使用。
2.7 動態(tài)數(shù)據(jù)交換
　　動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)是使用共享內(nèi)存在應(yīng)用程序之間進行數(shù)據(jù)交換的一種進程間通信形式。應(yīng)用程序可以使用DDE進行一次性數(shù)據(jù)傳輸，也可以當出現(xiàn)新數(shù)據(jù)時，通過發(fā)送更新值在應(yīng)用程序間動態(tài)交換數(shù)據(jù)。
　　DDE和剪貼板一樣既支持標準數(shù)據(jù)格式(如文本、位圖等)，又可以支持自己定義的數(shù)據(jù)格式。但它們的數(shù)據(jù)傳輸機制卻不同，一個明顯區(qū)別是剪貼板操作幾乎總是用作對用戶指定操作的一次性應(yīng)答－如從菜單中選擇Paste命令。盡管DDE也可以由用戶啟動，但它繼續(xù)發(fā)揮作用一般不必用戶進一步干預(yù)。DDE有三種數(shù)據(jù)交換方式：
　　(1) 冷鏈：數(shù)據(jù)交換是一次性數(shù)據(jù)傳輸，與剪貼板相同。
　　(2) 溫鏈：當數(shù)據(jù)交換時服務(wù)器通知客戶，然后客戶必須請求新的數(shù)據(jù)。
　　(3) 熱鏈：當數(shù)據(jù)交換時服務(wù)器自動給客戶發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　DDE交換可以發(fā)生在單機或網(wǎng)絡(luò)中不同計算機的應(yīng)用程序之間。開發(fā)者還可以定義定制的DDE數(shù)據(jù)格式進行應(yīng)用程序之間特別目的IPC，它們有更緊密耦合的通信要求。大多數(shù)基于Windows的應(yīng)用程序都支持DDE。
2.8 對象連接與嵌入
　　應(yīng)用程序利用對象連接與嵌入(OLE)技術(shù)管理復(fù)合文檔(由多種數(shù)據(jù)格式組成的文檔)，OLE提供使某應(yīng)用程序更容易調(diào)用其它應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)編輯的服務(wù)。例如，OLE支持的字處理器可以嵌套電子表格，當用戶要編輯電子表格時OLE庫可自動啟動電子表格編輯器。當用戶退出電子表格編輯器時，該表格已在原始字處理器文檔中得到更新。在這里電子表格編輯器變成了字處理器的擴展，而如果使用DDE，用戶要顯式地啟動電子表格編輯器。
　　同DDE技術(shù)相同，大多數(shù)基于Windows的應(yīng)用程序都支持OLE技術(shù)。
2.9 動態(tài)連接庫
　　Win32動態(tài)連接庫(DLL)中的全局數(shù)據(jù)可以被調(diào)用DLL的所有進程共享，這就又給進程間通信開辟了一條新的途徑，當然訪問時要注意同步問題。
　　雖然可以通過DLL進行進程間數(shù)據(jù)共享，但從數(shù)據(jù)安全的角度考慮，我們并不提倡這種方法，使用帶有訪問權(quán)限控制的共享內(nèi)存的方法更好一些。
2.10 遠程過程調(diào)用
　　Win32 API提供的遠程過程調(diào)用(RPC)使應(yīng)用程序可以使用遠程調(diào)用函數(shù)，這使在網(wǎng)絡(luò)上用RPC進行進程通信就像函數(shù)調(diào)用那樣簡單。RPC既可以在單機不同進程間使用也可以在網(wǎng)絡(luò)中使用。
　　由于Win32 API提供的RPC服從OSF-DCE(Open Software Foundation Distributed Computing Environment)標準。所以通過Win32 API編寫的RPC應(yīng)用程序能與其它操作系統(tǒng)上支持DEC的RPC應(yīng)用程序通信。使用RPC開發(fā)者可以建立高性能、緊密耦合的分布式應(yīng)用程序。
2.11 NetBios函數(shù)
　　Win32 API提供NetBios函數(shù)用于處理低級網(wǎng)絡(luò)控制，這主要是為IBM NetBios系統(tǒng)編寫與Windows的接口。除非那些有特殊低級網(wǎng)絡(luò)功能要求的應(yīng)用程序，其它應(yīng)用程序最好不要使用NetBios函數(shù)來進行進程間通信。
2.12 Sockets
　　Windows Sockets規(guī)范是以U.C.Berkeley大學(xué)BSD UNIX中流行的Socket接口為范例定義的一套Windows下的網(wǎng)絡(luò)編程接口。除了Berkeley Socket原有的庫函數(shù)以外，還擴展了一組針對Windows的函數(shù)，使程序員可以充分利用Windows的消息機制進行編程。
　　現(xiàn)在通過Sockets實現(xiàn)進程通信的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越多，這主要的原因是Sockets的跨平臺性要比其它IPC機制好得多，另外WinSock 2.0不僅支持TCP/IP協(xié)議，而且還支持其它協(xié)議(如IPX)。Sockets的唯一缺點是它支持的是底層通信操作，這使得在單機的進程間進行簡單數(shù)據(jù)傳遞不太方便，這時使用下面將介紹的WM_COPYDATA消息將更合適些。
2.13 WM_COPYDATA消息
　　WM_COPYDATA是一種非常強大卻鮮為人知的消息。當一個應(yīng)用向另一個應(yīng)用傳送數(shù)據(jù)時，發(fā)送方只需使用調(diào)用SendMessage函數(shù)，參數(shù)是目的窗口的句柄、傳遞數(shù)據(jù)的起始地址、WM_COPYDATA消息。接收方只需像處理其它消息那樣處理WM_COPY DATA消息，這樣收發(fā)雙方就實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。
　　WM_COPYDATA是一種非常簡單的方法，它在底層實際上是通過文件映射來實現(xiàn)的。它的缺點是靈活性不高，并且它只能用于Windows平臺的單機環(huán)境下。

3 結(jié)束語

　　Win32 API為應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)進程間通信提供了如此多種選擇方案，那么開發(fā)者如何進行選擇呢？通常在決定使用哪種IPC方法之前應(yīng)考慮下一些問題，如應(yīng)用程序是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下還是在單機環(huán)境下工作等。