Win32應用程序中進程間通信方法分析與比較

1 進程與進程通信

　　進程是裝入內存并準備執行的程序，每個進程都有私有的虛擬地址空間，由代碼、數據以及它可利用的系統資源(如文件、管道等)組成。多進程/多線程是Windows操作系統的一個基本特征。Microsoft Win32應用編程接口(Application Programming Interface, API)提供了大量支持應用程序間數據共享和交換的機制，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據共享和數據交換。
　　正因為使用Win32 API進行進程通信方式有多種，如何選擇恰當的通信方式就成為應用開發中的一個重要問題，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)能使進程把文件內容當作進程地址區間一塊內存那樣來對待。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容，實現了對文件中數據的共享。
　　應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。第二個進程復制該句柄就取得對該文件映射對象的訪問權限。
　　文件映射是在多個進程間共享數據的非常有效方法，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，不能用于網絡中，而開發者還必須控制進程間的同步。
2.2 共享內存
　　Win32 API中共享內存(Shared Memory)實際就是文件映射的一種特殊情況。進程在創建文件映射對象時用0xFFFFFFFF來代替文件句柄(HANDLE)，就表示了對應的文件映射對象是從操作系統頁面文件訪問內存，其它進程打開該文件映射對象就可以訪問該內存塊。由于共享內存是用文件映射實現的，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據的無名字的單向管道。通常由父進程創建管道，然后由要通信的子進程繼承通道的讀端點句柄或寫端點句柄，然后實現通信。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子進程標準I/O重定向的有效方法，它不能在網上使用，也不能用于兩個不相關的進程之間。
2.4 命名管道
　　命名管道(Named Pipe)是服務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的進程之間和不同計算機之間使用，服務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，根據給定的權限和服務器進程通信。
　　命名管道提供了相對簡單的編程接口，使通過網絡傳輸數據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器進程發送消息。進來的消息一直放在郵件槽中，直到服務器進程讀取它為止。一個進程既可以是郵件槽服務器也可以是郵件槽客戶，因此可建立多個郵件槽實現進程間的雙向通信。
　　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絡區域中所有計算機上有同樣名字的郵件槽發送消息。廣播通信的消息長度不能超過400字節，非廣播消息的長度則受郵件槽服務器指定的最大消息長度的限制。
　　郵件槽與命名管道相似，不過它傳輸數據是通過不可靠的數據報(如TCP/IP協議中的UDP包)完成的，一旦網絡發生錯誤則無法保證消息正確地接收，而命名管道傳輸數據則是建立在可靠連接基礎上的。不過郵件槽有簡化的編程接口和給指定網絡區域內的所有計算機廣播消息的能力，所以郵件槽不失為應用程序發送和接收消息的另一種選擇。
2.6 剪貼板
　　剪貼板(Clipped Board)實質是Win32 API中一組用來傳輸數據的函數和消息，為Windows應用程序之間進行數據共享提供了一個中介，Windows已建立的剪切(復制)－粘貼的機制為不同應用程序之間共享不同格式數據提供了一條捷徑。當用戶在應用程序中執行剪切或復制操作時，應用程序把選取的數據用一種或多種格式放在剪貼板上。然后任何其它應用程序都可以從剪貼板上拾取數據，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，可以支持任何數據格式，每一格式由一無符號整數標識，對標準(預定義)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函數注冊為新的剪貼板格式。利用剪貼板進行交換的數據只需在數據格式上一致或都可以轉化為某種格式就行。但剪貼板只能在基于Windows的程序中使用，不能在網絡上使用。
2.7 動態數據交換
　　動態數據交換(DDE)是使用共享內存在應用程序之間進行數據交換的一種進程間通信形式。應用程序可以使用DDE進行一次性數據傳輸，也可以當出現新數據時，通過發送更新值在應用程序間動態交換數據。
　　DDE和剪貼板一樣既支持標準數據格式(如文本、位圖等)，又可以支持自己定義的數據格式。但它們的數據傳輸機制卻不同，一個明顯區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，但它繼續發揮作用一般不必用戶進一步干預。DDE有三種數據交換方式：
　　(1) 冷鏈：數據交換是一次性數據傳輸，與剪貼板相同。
　　(2) 溫鏈：當數據交換時服務器通知客戶，然后客戶必須請求新的數據。
　　(3) 熱鏈：當數據交換時服務器自動給客戶發送數據。
　　DDE交換可以發生在單機或網絡中不同計算機的應用程序之間。開發者還可以定義定制的DDE數據格式進行應用程序之間特別目的IPC，它們有更緊密耦合的通信要求。大多數基于Windows的應用程序都支持DDE。
2.8 對象連接與嵌入
　　應用程序利用對象連接與嵌入(OLE)技術管理復合文檔(由多種數據格式組成的文檔)，OLE提供使某應用程序更容易調用其它應用程序進行數據編輯的服務。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技術相同，大多數基于Windows的應用程序都支持OLE技術。
2.9 動態連接庫
　　Win32動態連接庫(DLL)中的全局數據可以被調用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進行進程間數據共享，但從數據安全的角度考慮，我們并不提倡這種方法，使用帶有訪問權限控制的共享內存的方法更好一些。
2.10 遠程過程調用
　　Win32 API提供的遠程過程調用(RPC)使應用程序可以使用遠程調用函數，這使在網絡上用RPC進行進程通信就像函數調用那樣簡單。RPC既可以在單機不同進程間使用也可以在網絡中使用。
　　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應用程序能與其它操作系統上支持DEC的RPC應用程序通信。使用RPC開發者可以建立高性能、緊密耦合的分布式應用程序。
2.11 NetBios函數
　　Win32 API提供NetBios函數用于處理低級網絡控制，這主要是為IBM NetBios系統編寫與Windows的接口。除非那些有特殊低級網絡功能要求的應用程序，其它應用程序最好不要使用NetBios函數來進行進程間通信。
2.12 Sockets
　　Windows Sockets規范是以U.C.Berkeley大學BSD UNIX中流行的Socket接口為范例定義的一套Windows下的網絡編程接口。除了Berkeley Socket原有的庫函數以外，還擴展了一組針對Windows的函數，使程序員可以充分利用Windows的消息機制進行編程。
　　現在通過Sockets實現進程通信的網絡應用越來越多，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協議，而且還支持其它協議(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據傳遞不太方便，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。當一個應用向另一個應用傳送數據時，發送方只需使用調用SendMessage函數，參數是目的窗口的句柄、傳遞數據的起始地址、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，這樣收發雙方就實現了數據共享。
　　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平臺的單機環境下。

3 結束語

　　Win32 API為應用程序實現進程間通信提供了如此多種選擇方案，那么開發者如何進行選擇呢？通常在決定使用哪種IPC方法之前應考慮下一些問題，如應用程序是在網絡環境下還是在單機環境下工作等。