Windows系列操作系统对线程间通信的支持 ――管道与邮路

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0 发表于: 2006-06-11

Windows应用程序间数据通讯的基本方式有四种。最简单的是利用剪切板；另一种是DDE（Dynamic Data Exchange动态数据交换），它利用一种公共的协议实现两个或多个应用程序之间的通讯；再者是通过内存映射文件，内存映射可以将一个进程的一段虚拟地址映射为一个文件，然后其它的进程可以共享该段虚拟地址；最后就是通过管道与邮路实现进程间数据通信。

要讨论管道与邮路之前先让我们来复习一下这几个概念：进程、线程。微软官方对进程和线程的定义如下：

进程：用最简洁的话来说，进程就是一个正在执行的程序，一个或多个线程在进程中运行，线程是操作系统分配CPU运算时间的最小单位。每一个进程都提供了运行一个程序所必需的资源，一个进程具有4GB的虚拟地址空间（Windows NT Server Enterprise Edition及Windows 2000 Advanced Server中低3GB虚拟地址空间供进程使用，高1GB供操作系统的内核代码使用。Windows NT/2000中低2GB供进程使用，高2GB供操作系统内核代码使用。Windows9X：0——64K只读空间用来装入Microsoft DOS信息，64K——4M装入DOS的兼容代码，4M——2GB的私有空间供进程使用，2GB——3GB的共享空间装入各种DLL代码，3GB——4GB为共享的系统内核代码空间，其中共享的2GB——4GB的空间是99%的“内存无效页错误”、“General Protect Error(GPE)”及蓝屏的罪魁祸首。），可执行代码，数据，对象句柄，环境变量，优先权以及设置最大化最小化的功能。每一个进程都从一个主线程开始执行，但可以在它所拥有的线程中创建额外的线程。一个进程的所有线程共享进程的虚拟地址空间和系统资源，一个线程的资源包括线程的机器寄存器设置，内核堆栈，线程环境变量和进程虚拟地址中的用户堆栈。

让我们再来看看微软官方对管道和邮路是怎么解释的。

管道（pipe）是进程用来通讯的共享内存区域。一个进程往管道中写入信息，而其它的进程可以从管道中读出信息。如其名，管道是进程间数据交流的通道。邮路（Mailslots）的功能与管道类似，也是进程间通讯（interprocess communications，IPC）的媒介，只不过其具体实现方式与管道有些差别。一个基于Win32的应用程序可以在邮路中储存消息，这些消息通常通过网络发往一个指定的计算机或某域名（域是共享一个组名的一组工作站或服务器。）下的所有计算机。你也可以使用命名管道代替邮路来进行进程间通信。命名管道最适合用来两个进程间的消息传递，邮路则更适合一个进程向多个进程广播消息。邮路具有一个重要的特点，它使用数据包广播消息。广播（broadcast）是网络传输中使用的术语，它意味着接收方收到数据后不发送确认消息通知发送方。而管道（这里的管道指命名管道，有关命名管道以下详解。）则不同，它更类似于打电话，你只对一个当事人说话，但是你却非常清楚你的话都被对方听到。邮路和管道一样，也是一个虚拟文件，它保存在内存中，但是你却必须使用普通的Win32文件函数访问它，比如CreateFile、ReadFile、WriteFile等。邮路中储存的数据可以是任何形式的，唯一的要求是不得超过64K。与磁盘文件不同的是，邮路是一个临时的对象，当某个邮路所有的句柄都关闭的时候，该邮路及其中的数据就被删除。

管道的类型有两种：匿名管道和命名管道。匿名管道是不命名的，它最初用于在本地系统中父进程与它启动的子进程之间的通信。命名管道更高级，它由一个名字来标识，以使客户端和服务端应用程序可以通过它进行彼此通信。而且，Win32命名管道甚至可以在不同系统的进程间使用，这使它成为许多客户/服务器应用程序的理想之选。

就像水管连接两个地方并输送水一样，软件的管道连接两个进程并输送数据。一个一个管道一旦被建立，它就可以象文件一样被访问，并且可以使用许多与文件操作同样的函数。可以使用CreateFile函数获取一个已打开的管道的句柄，或者由另一个进程提供一个句柄。使用WriteFile函数向管道写入数据，之后这些数据可以被另外的进程用ReadFile函数读取。管道是系统对象，因此管道的句柄在不需要时必须使用CloseHandle函数关闭。

匿名管道只能单向传送数据，而命名管道可以双向传送。管道可以以比特流形式传送任意数量的数据。命名管道还可以将数据集合到称为消息的数据块中。命名管道甚至具有通过网络连接多进程的能力。但遗憾的是Windows9X不支持创建命名管道，它只能在WindowsNT系列（如Windows NT，Windows 2000，Windows XP）的操作系统上创建。

当讨论管道时，通常涉及到两个进程：客户进程和服务进程。服务进程负责创建管道。客户进程连接到管道。服务进程可以创建一个管道的多个实例，以此支持多个客户进程。

匿名管道用以下函数创建：

BOOL CreatePipe(
PHANDLE hReadPipe, // 用于读操作的句柄
PHANDLE hWritePipe, // 用于写操作的句柄
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpPipeAttributes, // 描述安全信息的一个结构
DWORD nSize // 管道大小
);

命名管道用以下函数创建：

HANDLE CreateNamedPipe(
LPCTSTR lpName, // 管道名
DWORD dwOpenMode, // 管道打开方式
DWORD dwPipeMode, // 管道模式
DWORD nMaxInstances, // 该管道最大的实例数量
DWORD nOutBufferSize, // 输出缓冲区大小
DWORD nInBufferSize, // 输入缓冲区大小
DWORD nDefaultTimeOut, // 指定默认的超时时间
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes // 描述安全信息的一个结构
);

管道由以下函数删除：

BOOL CloseHandle(
HANDLE hObject // 管道句柄
);

其它的管道函数简介如下：

CallNamedPipe：连接到一个命名管道，读取或写入数据之后关闭它。

ConnectNamedPipe：服务进程准备好一个连接到客户进程的管道，并等待一个客户进程连接上为止。

DisconnectNamedPipe：服务端用来断开与客户端的连接。

GetNamedPipeHandleState：获取一个命名管道的状态信息。

GetNamedPipeInfo：获取一个命名管道的信息。

PeekNamedPipe：从一个匿名或命名管道中拷贝数据到一个缓冲区。

SetNamedPipeHandleState：设置管道的类型及其它状态信息，比如说是比特流还是消息流管道。

TransactNamedPipe：从一个消息管道读消息或向其写入消息。

WaitNamedPipe：客户进程用来连接到一个命名管道。

邮路是由邮路服务进程创建。当邮路服务进程创建了一个邮路后，便返回该邮路句柄。当某个进程需要从该邮路中读取消息时，它必须提供该句柄。只有创建该邮路的进程，或以某种机制（比如继承）获得该邮路句柄的进程能够从邮路中读取消息。与管道不同，所有的邮路都是从属于创建它的本地进程的，你无法创建一个远程的邮路。邮路的客户进程具有向邮路写入消息的权限。任何进程只要获得了邮路的名字，就可以往里面写入消息，新的消息将放在邮路的消息队列后面。

邮路能在一个域中广播消息。如果域中几个进程每个都用相同的名字创建了一个邮路，则它们都会收到送往该邮路的消息。

在邮路中传递的消息如果小于425字节，那么它们会以数据包的形式传递。大于425字节的消息会以其它的方式传输，在这种情况下，你只能从一个客户进程传递给一个服务进程，而不能从一个客户进程传递给多个服务进程。且Windows NT不支持大于等于425个字节的消息传递。

邮路由以下函数创建：

HANDLE CreateMailslot(
LPCTSTR lpName, // 邮路名
DWORD nMaxMessageSize, // 消息最大的大小
DWORD lReadTimeout, // 读取操作的超时时间
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes // 描述安全信息的一个结构
);

邮路由以下函数删除：

BOOL CloseHandle(
HANDLE hObject // 邮路句柄
);

其它邮路函数简介如下：

GetMailslotInfo：获取指定邮路的相关信息。

SetMailslotInfo：设置指定邮路的相关信息。