windows程序間通信

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摘 要: 随着人們對應用程式的要求越來越高，單程序應用在許多場合已不能滿足人們的要求。編寫多程序/多線程程式成為現代程式設計的一個重要特點，在多程序程式設計中，程序間的通信是不可避免的。Microsoft Win32 API提供了多種程序間通信的方法，全面地闡述了這些方法的特點，并加以比較和分析，希望能給讀者選擇通信方法提供參考。

關鍵詞 程序 程序通信 IPC Win32 API 

 1 程序與程序通信

　　程序是裝入記憶體并準備執行的程式，每個程序都有私有的虛拟位址空間，由代碼、資料以及它可利用的系統資源(如檔案、管道等)組成。多程序/多線程是Windows作業系統的一個基本特征。Microsoft Win32應用程式設計接口(Application Programming Interface, API)提供了大量支援應用程式間資料共享和交換的機制，這些機制行使的活動稱為程序間通信(InterProcess Communication, IPC)，程序通信就是指不同程序間進行資料共享和資料交換。

　　正因為使用Win32 API進行程序通信方式有多種，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，下面本文将對Win32中程序通信的幾種方法加以分析和比較。

2 程序通信方法

2.1 檔案映射

　　檔案映射(Memory-Mapped Files)能使程序把檔案内容當作程序位址區間一塊記憶體那樣來對待。是以，程序不必使用檔案I/O操作，隻需簡單的指針操作就可讀取和修改檔案的内容。

　　Win32 API允許多個程序通路同一檔案映射對象，各個程序在它自己的位址空間裡接收記憶體的指針。通過使用這些指針，不同程序就可以讀或修改檔案的内容，實作了對檔案中資料的共享。

　　應用程式有三種方法來使多個程序共享一個檔案映射對象。

　　(1)繼承：第一個程序建立檔案映射對象，它的子程序繼承該對象的句柄。

　　(2)命名檔案映射：第一個程序在建立檔案映射對象時可以給該對象指定一個名字(可與檔案名不同)。第二個程序可通過這個名字打開此檔案映射對象。另外，第一個程序也可以通過一些其它IPC機制(有名管道、郵件槽等)把名字傳給第二個程序。

　　(3)句柄複制：第一個程序建立檔案映射對象，然後通過其它IPC機制(有名管道、郵件槽等)把對象句柄傳遞給第二個程序。第二個程序複制該句柄就取得對該檔案映射對象的通路權限。

　　檔案映射是在多個程序間共享資料的非常有效方法，有較好的安全性。但 檔案映射隻能用于本地機器的程序之間，不能用于網絡中，而開發者還必須控制程序間的同步。

2.2 共享記憶體

　　Win32 API中共享記憶體(Shared Memory)實際就是檔案映射的一種特殊情況。程序在建立檔案映射對象時用0xFFFFFFFF來代替檔案句柄(HANDLE)，就表示了對應的檔案映射對象是從作業系統頁面檔案通路記憶體，其它程序打開該檔案映射對象就可以通路該記憶體塊。由于共享記憶體是用檔案映射實作的，是以它也有較好的安全性， 也隻能運作于同一計算機上的程序之間。

2.3 匿名管道

　　管道(Pipe)是一種具有兩個端點的通信通道：有一端句柄的程序可以和有另一端句柄的程序通信。管道可以是 單向－一端是隻讀的，另一端點是隻寫的；也可以是 雙向的－管道的兩端點既可讀也可寫。

　　匿名管道(Anonymous Pipe)是 在父程序和子程序之間，或同一父程序的兩個子程序之間傳輸資料的無名字的單向管道。通常由父程序建立管道，然後由要通信的子程序繼承通道的讀端點句柄或寫 端點句柄，然後實作通信。父程序還可以建立兩個或更多個繼承匿名管道讀和寫句柄的子程序。這些子程序可以使用管道直接通信，不需要通過父程序。

　　匿名管道是單機上實作子程序标準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程序之間。

2.4 命名管道

　　命名管道(Named Pipe)是伺服器程序和一個或多個客戶程序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程序之間和不同計算機之間使用，伺服器建立命名管道時給它指定一個名字，任何程序都可以通過該名字打開管道的另一端，根據給定的權限和伺服器程序通信。

　　命名管道提供了相對簡單的程式設計接口，使通過網絡傳輸資料并不比同一計算機上兩程序之間通信更困難，不過如果要同時和多個程序通信它就力不從心了。

2.5 郵件槽

　　郵件槽(Mailslots)提供程序間單向通信能力，任何程序都能建立郵件槽成為郵件槽伺服器。其它程序，稱為郵件槽客戶，可以通過郵件槽的名字給郵件槽伺服器程序發送消息。進來的消 息一直放在郵件槽中，直到伺服器程序讀取它為止。一個程序既可以是郵件槽伺服器也可以是郵件槽客戶，是以可建立多個郵件槽實作程序間的雙向通信。

　　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位元組，非廣播消息的長度則受郵件槽伺服器指定的最大消息長度的限制。

　　郵件槽與命名管道相似，不過它傳輸資料是通過不可靠的資料報(如TCP/IP協定中的UDP包)完成的，一旦網絡發生錯誤則無法保證消息正确地接收，而命名管道傳輸資料則是建立在可靠連接配接基礎上的。不過郵件槽有簡化的程式設計接口和給指定網絡區域内的所有計算機廣播消息的能力，是以郵件槽不失為應用程式發送和接收消息的另一種選擇。

2.6 剪貼闆

　　剪貼闆(Clipped Board)實質是Win32 API中一組用來傳輸資料的函數和消息，為Windows應用程式之間進行資料共享提供了一個中介，Windows已建立的剪切(複制)－粘貼的機制為不同應用程式之間共享不同格式資料提供了一條捷徑。當使用者在應用程式中執行剪切或複制操作時，應用程式把選取的資料用一種或多種格式放在剪貼闆上。然後任何其它應用程式都可以從剪貼闆上拾取資料，從給定格式中選擇适合自己的格式。

　　剪貼闆是一個非常松散的交換媒介，可以支援任何資料格式，每一格式由一無符号整數辨別，對标準(預定義)剪貼闆格式，該值是Win32 API定義的常量；對非标準格式可以使用Register Clipboard Format函數注冊為新的剪貼闆格式。利用剪貼闆進行交換的資料隻需在資料格式上一緻或都可以轉化為某種格式就行。但剪貼闆隻能在基于Windows的程式中使用，不能在網絡上使用。

2.7 動态資料交換

　　動态資料交換(DDE)是使用共享記憶體在應用程式之間進行資料交換的一種程序間通信形式。應用程式可以使用DDE進行一次性資料傳輸，也可以當出現新資料時，通過發送更新值在應用程式間動态交換資料。

　　DDE和剪貼闆一樣既支援标準資料格式(如文本、位圖等)，又可以支援自己定義的資料格式。但它們的資料傳輸機制卻不同，一個明顯差別是剪貼闆操作幾乎總是用作對使用者指定操作的一次性應答－如從菜單中選擇Paste指令。盡管DDE也可以由使用者啟動，但它繼續發揮作用一般不必使用者進一步幹預。DDE有三種資料交換方式：

　　(1) 冷鍊：資料交換是一次性資料傳輸，與剪貼闆相同。

　　(2) 溫鍊：當資料交換時伺服器通知客戶，然後客戶必須請求新的資料。

　　(3) 熱鍊：當資料交換時伺服器自動給客戶發送資料。

　　DDE交換可以發生在單機或網絡中不同計算機的應用程式之間。開發者還可以定義定制的DDE資料格式進行應用程式之間特别目的IPC，它們有更緊密耦合的通信要求。大多數基于Windows的應用程式都支援DDE。

2.8 對象連接配接與嵌入

　　應用程式利用對象連接配接與嵌入(OLE)技術管理複合文檔(由多種資料格式組成的文檔)，OLE提供使某應用程式更容易調用其它應用程式進行資料編輯的服務。例如，OLE支援的字處理器可以嵌套電子表格，當使用者要編輯電子表格時OLE庫可自動啟動電子表格編輯器。當使用者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。在這裡電子表格編輯器變成了字處理器的擴充，而如果使用DDE，使用者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的應用程式都支援OLE技術。

2.9 動态連接配接庫

　　Win32動态連接配接庫(DLL)中的 全局資料可以被調用DLL的所有程序共享，這就又給程序間通信開辟了一條新的途徑，當然通路時要注意同步問題。

　　雖然可以通過DLL進行程序間資料共享，但從資料安全的角度考慮，我們并不提倡這種方法，使用帶有通路權限控制的共享記憶體的方法更好一些。

2.10 遠端過程調用

　　Win32 API提供的遠端過程調用(RPC)使應用程式可以使用遠端調用函數，這使在網絡上用RPC進行程序通信就像函數調用那樣簡單。RPC既可以在單機不同程序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)标準。是以通過Win32 API編寫的RPC應用程式能與其它作業系統上支援DEC的RPC應用程式通信。使用RPC開發者可以建立高性能、緊密耦合的分布式應用程式。

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式，其它應用程式最好不要使用NetBios函數來進行程序間通信。

2.12 Sockets

　　Windows Sockets規範是以U.C.Berkeley大學BSD UNIX中流行的Socket接口為範例定義的一套Windows下的網絡程式設計接口。除了Berkeley Socket原有的庫函數以外，還擴充了一組針對Windows的函數，使程式員可以充分利用Windows的消息機制進行程式設計。

　　現在通過Sockets實作程序通信的網絡應用越來越多，這主要的原因是Sockets的跨平台性要比其它IPC機制好得多，另外WinSock 2.0不僅支援TCP/IP協定，而且還支援其它協定(如IPX)。Sockets的唯一缺點是它支援的是底層通信操作，這使得在單機的程序間進行簡單資料傳遞不太友善，這時使用下面将介紹的WM_COPYDATA消息将更合适些。

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資料時，發送方隻需使用調用SendMessage函數，參數是目的視窗的句柄、傳遞資料的起始位址、WM_COPYDATA消息。接收方隻需像處理其它消息那樣處理WM_COPY DATA消息，這樣收發雙方就實作了資料共享。

　　WM_COPYDATA是一種非常簡單的方法，它在底層實際上是通過檔案映射來實作的。它的缺點是靈活性不高，并且它隻能用于Windows平台的單機環境下。 

3 結束語 

　　Win32 API為應用程式實作程序間通信提供了如此多種選擇方案，那麼開發者如何進行選擇呢？通常在決定使用哪種IPC方法之前應考慮以下一些問題：

　　(1)應用程式是在網絡環境下還是在單機環境下工作。

4 附:

在我學windows程式設計的時候，對程序間如何通信總是感覺很神秘，網絡上介紹的方法很多，但是很少有一個系統的介紹，五花八門的說法讓人總是一頭霧水，在這裡，我整理一下各通信方法，梳理了一下這些方法的優缺點，希望能對各位看官起到抛磚引玉的作用。 非标準的程序間通信技術有：Windows消息，記憶體映射，記憶體共享等等。

1. Windows消息實作程序間通信。 消息的接受程序和發送程序都要定義相同的消息。但是，如果發送方僅僅是發送消息，那麼發送方可以不實作消息映射，不用定義消息響應函數。接受方需要定義映射和相應函數。 自定義消息的實作程序間通信的缺陷是，由于消息的傳遞參數是個長整形 lparam， 是以，隻能傳遞整形的資料，而不能傳遞字元串。有個可以的思路是，傳遞字元串所在的位址，然後另一個程式通過獲得發送方的程序句柄，用函數ReadProcessMemory與WriteProcessMemory操作發送方的記憶體空間來讀取内容。

2. 使用MFC定義的WM_COPYDATA消息 該消息其實與普通的自定義消息通信類似，差別是，傳送的是一個指向COPYDATASTRUCT 結構的指針，要傳遞的字元串就儲存在這個結構體裡。這個結構的第一個變量 dwData可以設定為0即可。 這個消息與 上面的那個思路的不同是，獲得了結構體的指針後，接受程序不需要其他的處理就能擷取到指針的資料，就好像在同一個程序裡通信一樣. 另外注意，該消息的接受有時并不能獲得所需要的長度，有可能隻接收到了一部分。 是以，該方式隻适合于傳遞是少量的資料。

3.使用程序記憶體讀寫函數 基本上與方法一得後面猜想部分相同。關鍵是，要使用GlobalAlloc()或者VirtualAllocEx來配置設定記憶體空間存放資料。把資料寫入接收方的程序記憶體，然後接着就發消息告訴他資料的位址。由于是在發送方申請的記憶體，那麼，最好等待sleep一定時間再VirtualFreeEx申請到得記憶體。 GlobalAlloc()或者VirtualAllocEx可以實作在另一個程序的記憶體空間來申請記憶體，這就為什麼上面能進行的原因。也就是說，發送方并不在自己的記憶體空間申請記憶體，而是在接收方程序記憶體空間來申請記憶體。然後寫入輸入資料。當然，也可以在發送方的程序空間來申請記憶體，接收方通過跨程序讀寫的方式來讀。這隻是處理方式不同而已。

4.使用記憶體映射檔案的方法 記憶體映射的好處就是，可以像對待一個檔案一樣來對待一塊記憶體區。檔案時可以被不同的程序來讀寫的。既然那塊記憶體 區像檔案一樣，那麼這塊記憶體區就可以被不同的程序來讀寫。

5.使用DLL進行通信 Win32 DLL 隻能共享代碼不能共享資料，不同的程序載入同一個DLL檔案，DLL的代碼都隻載入了一份到記憶體，這隻載入一份代碼僅指同一個DLL檔案，如果相同的DLL檔案在不同的盤符下，也不是同一個DLL，而是同一DLL多個副本。 Win16 DLL 被載入了系統記憶體，是以調用它的程序都可以通路到它的全局變量，是以可以很容易的實作程序間通信。但是對于win32 DLL , 作業系統會把該DLL映射到每個調用它的程序的位址空間，DLL成為該程序的一部分。 可以用下面的方法來将DLL的資料區設定為共享區。 

#pragma data_seg("SHARED") // 定義名為SHARED的共享資料段 

char m_strString[256]=TEXT(""); // 共享的資料。特别要注意需要初始化，因為編譯器會把未初始化的變量儲存在bss資料段。 

volatile bool bInCriticalSection=FALSE; // 同步标示 

#pragma data_seg()

 #pragma comment(linker,"/SECTION:SHARED,RWS") // 将要共享的資料段通知編譯器。 

CCriticalSection cs; // 臨界區，控制同步的 上面控制了同步問題。

6.使用作業系統提供的剪貼闆實作通信 使用剪貼闆是一中開銷較小的程序通信機制。剪貼闆機制的原理是，剪貼闆是系統預留的一塊全局記憶體，用來暫存程序間進行資料交換的資料。 提供資料的程序需要先建立一個全局記憶體塊，然後将要傳送的資料移到或複制到該記憶體塊。 接收程序需要獲得此記憶體塊的句柄，完成資料讀取。 

下面的程式标明怎麼在剪貼闆寫資料 

CString strData=m_strClipBoard; // 獲得資料. 

// 打開系統剪貼闆. 

if (!OpenClipboard()) return; 

// 使用之前，清空系統剪貼闆. 

EmptyClipboard(); 

// 配置設定一記憶體，大小等于要拷貝的字元串的大小，傳回該記憶體控制句柄. 

HGLOBAL hClipboardData; 

hClipboardData = GlobalAlloc(GMEM_DDESHARE, strData.GetLength()+1);

 // 記憶體控制句柄加鎖，傳回值為指向那記憶體控制句柄所在的特定資料格式的指針. 

char * pchData; pchData = (char*)GlobalLock(hClipboardData); 

// 将本地變量的值賦給全局記憶體. 

strcpy(pchData, LPCSTR(strData));

 // 給加鎖的全局記憶體控制句柄解鎖. 

GlobalUnlock(hClipboardData); 

// 通過全局記憶體句柄将要拷貝的資料放到剪貼闆上. 

SetClipboardData(CF_TEXT,hClipboardData); 

// 使用完後關閉剪貼闆. 

CloseClipboard(); 

從剪貼闆讀取資料的代碼如下：

// 打開系統剪貼闆. 

if (!OpenClipboard()) return; 

// 判斷剪貼闆上的資料是否是指定的資料格式. 

if (IsClipboardFormatAvailable(CF_TEXT)|| IsClipboardFormatAvailable(CF_OEMTEXT)) { 

// 從剪貼闆上獲得資料. 

HANDLE hClipboardData = GetClipboardData(CF_TEXT); 

// 通過給記憶體句柄加鎖，獲得指向指定格式資料的指針. 

char *pchData = (char*)GlobalLock(hClipboardData);

 // 本地變量獲得資料. 

m_strClipBoard = pchData; 

// 給記憶體句柄解鎖. 

GlobalUnlock(hClipboardData); 

} 

else

 {

 AfxMessageBox("There is no text (ANSI) data on the Clipboard."); } 

// 使用完後關閉剪貼闆. 

CloseClipboard(); 

// 更新資料.

 UpdateData(FALSE);

7.DDE （Dynamic Data Exchange）動态資料交換 目前微軟已經停止了開發這種技術，僅僅保留了支援。 進階通信技術 前面都是幾種基本的程序通信技術，消息管道（Message Pipes）, 郵槽（Mail slots）， 和套接字（Sockets）則是實際比較常見的方法，這幾種進階通信除了可以像上面的方法樣實作本地系統程序間的通信，也可以用于遠端不同系統間的通信。

8. 消息管道 Message Pipes又分為匿名管道(anonymous Pipes),和 命名管道（Named Pipes）, 匿名管道主要用于本地系統上父程序與他啟動的子程序間的通信。命名管道進階些，可以再不同的系統上的程序間通信，因為UNIX, LINUX等都支援這項技術，是以，命名管道技術是比較理想的C/S結構通信技術。 命名管道原理是，一個程序把資料放進管道中，另一個知道管道名字的經常來把資料取走。其他不知道管道名字的程序不可能能把資料取走。 是以，管道實際上就是一塊程序間的共享記憶體。 建立管道的程序叫管道伺服器，連結管道的程序就是客戶機。建立管道的函數是HANDLE CreateNamedPipe(….); 連接配接管道 CallNamedPipe(); 讀入或寫入資料後腰關閉它 ConnectNamedPipe(); 伺服器準備好一個連接配接到客戶程序的管道，并一直等待知道客戶連接配接上為止。 DisconnectNamedPipe(); 伺服器中斷與客戶的連接配接 GetNamedPipeHandleState(); 擷取一個命名管道的狀态資訊 GetNamedPipeInfo();擷取一個命名管道的資訊 PeekNamedPipe(); 從一個管道中複制資料到一個緩沖區 SetNamedPipeHandleState(); 設定一個管道的狀态資訊以及管道類型 TransactNamedPipe(); 從一個消息管道讀消息或寫消息 WaitNamedPipe(); 使伺服器等待來自客戶的執行個體連接配接。 管道通信基本流程 

（1）連接配接建立 伺服器端通過ConnectNamedPipe函數建立以個命名管道執行個體，然後通過ConnectNamedPipe()函數來偵聽來自用戶端得請求。這個函數可以設定等待時間。 用戶端隻需使用函數WaitNamedPipe()來連接配接伺服器。

（2）通信實作 建立連接配接後，就可以通過得到管道的檔案句柄利用ReadFile()與WriteFile()進行彼此間的通信。 

（3）連接配接終止 用戶端調用CloseFile(), 伺服器端調用DisconnectNamedPipe()終止連接配接。且都需要CloseHandle來關閉管道。

9.郵槽通信

10.套接字通信 套接字通信過程可簡單的描述為，主要調用5個函數，socket(),bind(), Listen(), connect(), accept(). 伺服器端主要調用socket(),bind(), Listen(),accept()。 用戶端主要調用socket(),connect()。 雙方的資料傳送就是通過send() 與recv()完成。 套接字類型主要有5種，SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM, SOCK_RAW, SOCK_SEQPACKET, SOCK_RDM. 

10.1 Winsock 程式設計流程 

（1）程式編譯環境 有兩套函數進行Winsock程式設計，Socket1.1 與Socket2.0. 可以靈活混用。Socket2.0得功能較為強大。 包含其中一個頭檔案及其對應的庫檔案即可。 

// Socket2.0 

#include 

#pragma comment (lib, “ws2_32.lib”); 

// Socket1.1 

#include 

#pragma comment (lib, “wsock32.lib”); 

（2）選擇機制（異步？非阻塞？） 預設情況下都是建立的阻塞套接字。可以通過select或者WSAAsynSelect()函數将其變為非阻塞的。特别注意，用這個函數改為非阻塞後，不能簡單的利用ioctlsocket()将它再變為阻塞模式。也就是說這兩個函數改變阻塞模式是由差別的。ioctlsocket()是将異步模式的套接字再改回阻塞模式，但之前要調用WSAAsynSelect()取消所有的異步事件,WSAAsynSelect(s,hWnd,0,0); 

（3）啟動與終止 啟動函數WSAStartup()建立于Winsock DLL 的連接配接， 終止函數WSAClearup()終止該DLL，這兩個函數必須成對使用。 

（4）出錯處理 Winsock為了與以後的多線程環境相相容，提供了兩個出錯處理函數來擷取和設定目前線程的最近錯誤号，即WSAGetLastError()和WSASetLastError();