Windows系列作業系統對處理序間通訊的支援――管道與郵路

最近用C++編寫處理序間通訊程式，用到了管道的概念，特整理如下：

Windows應用程式間資料通訊的基本方式有四種。最簡單的是利用剪下板；另一種是DDE（Dynamic Data Exchange動態資料交換），它利用一種公用的協議實現兩個或多個應用程式之間的通訊；再者是通過記憶體對應檔，記憶體映射可以將一個進程的一段虛擬位址映射為一個檔案，然後其它的進程可以共用該段虛擬位址；最後就是通過管道與郵路實現進程間資料通訊。

要討論管道與郵路之前先讓我們來複習一下這幾個概念：進程、線程。微軟官方對進程和線程的定義如下：

進程：用最簡潔的話來說，進程就是一個正在執行的程式，一個或多個線程在進程中運行，線程是作業系統分配CPU運算時間的最小單位。每一個進程都提供了運行一個程式所必需的資源，一個進程具有4GB的虛擬位址空間（Windows NT Server Enterprise Edition及Windows 2000 Advanced Server中低3GB虛擬位址空間供進程使用，高1GB供作業系統的核心代碼使用。Windows NT/2000中低2GB供進程使用，高2GB供作業系統核心代碼使用。Windows9X：0――64K唯讀空間用來裝入Microsoft DOS資訊，64K――4M裝入DOS的相容代碼，4M――2GB的私人空間供進程使用，2GB――3GB的共用空間裝入各種DLL代碼，3GB――4GB為共用的系統核心代碼空間，其中共用的2GB――4GB的空間是99%的“記憶體無效頁錯誤”、“General Protect Error(GPE)”及藍屏的罪魁禍首。），可執行代碼，資料，物件控點，環境變數，優先權以及設定最大化最小化的功能。每一個進程都從一個主線程開始執行，但可以在它所擁有的線程中建立額外的線程。一個進程的所有線程共用進程的虛擬位址空間和系統資源，一個線程的資源套件括線程的機器寄存器設定，核心堆棧，線程環境變數和進程虛擬位址中的使用者堆棧。

讓我們再來看看微軟官方對管道和郵路是怎麼解釋的。

管道（pipe）是進程用來通訊的共用記憶體地區。一個進程往管道中寫入資訊，而其它的進程可以從管道中讀出資訊。如其名，管道是進程間資料交流的通道。郵路（Mailslots）的功能與管道類似，也是進程間通訊（interprocess communications，IPC）的媒介，只不過其具體實現方式與管道有些差別。一個基於Win32的應用程式可以在郵路中儲存訊息，這些訊息通常通過網路發往一個指定的電腦或某網域名稱（域是共用一個組名的一組工作站或伺服器。）下的所有電腦。你也可以使用具名管道代替郵路來進行處理序間通訊。具名管道最適合用來兩個進程間的訊息傳遞，郵路則更適合一個進程向多個進程廣播訊息。郵路具有一個重要的特點，它使用資料包廣播訊息。廣播（broadcast）是網路傳輸中使用的術語，它意味著接收方收到資料後不發送確認訊息通知發送方。而管道（這裡的管道指具名管道，有關具名管道以下詳解。）則不同，它更類似於打電話，你只對一個當事人說話，但是你卻非常清楚你的話都被對方聽到。郵路和管道一樣，也是一個虛擬檔案，它儲存在記憶體中，但是你卻必須使用普通的Win32檔案函數訪問它，比如CreateFile、ReadFile、WriteFile等。郵路中儲存的資料可以是任何形式的，唯一的要求是不得超過64K。與磁碟檔案不同的是，郵路是一個臨時的對象，當某個郵路所有的控制代碼都關閉的時候，該郵路及其中的資料就被刪除。

管道的類型有兩種：匿名管道和具名管道。匿名管道是不命名的，它最初用於在本地系統中父進程與它啟動的子進程之間的通訊。具名管道更進階，它由一個名字來標識，以使用戶端和服務端應用程式可以通過它進行彼此通訊。而且，Win32具名管道甚至可以在不同系統的進程間使用，這使它成為許多客戶/伺服器應用程式的理想之選。

就像水管串連兩個地方並輸送水一樣，軟體的管道串連兩個進程並輸送資料。一個一個管道一旦被建立，它就可以象檔案一樣被訪問，並且可以使用許多與檔案操作同樣的函數。可以使用CreateFile函數擷取一個已開啟的管道的控制代碼，或者由另一個進程提供一個控制代碼。使用WriteFile函數向管道寫入資料，之後這些資料可以被另外的進程用ReadFile函數讀取。管道是系統對象，因此管道的控制代碼在不需要時必須使用CloseHandle函數關閉。

匿名管道只能單向傳送資料，而具名管道可以雙向傳送。管道可以以位元流形式傳送任意數量的資料。具名管道還可以將資料集合到稱為訊息的資料區塊中。具名管道甚至具有通過網路連接多進程的能力。但遺憾的是Windows9X不支援建立具名管道，它只能在WindowsNT系列（如Windows NT，Windows 2000，Windows XP）的作業系統上建立。

當討論管道時，通常涉及到兩個進程：客戶進程和服務進程。服務進程負責建立管道。客戶進程串連到管道。服務進程可以建立一個管道的多個執行個體，以此支援多個客戶進程。

匿名管道用以下函數建立：

BOOL CreatePipe(
      PHANDLE hReadPipe,                       // 用於讀操作的控制代碼
      PHANDLE hWritePipe,                      // 用於寫操作的控制代碼
      LPSECURITY_ATTRIBUTES lpPipeAttributes, // 描述安全資訊的一個結構
      DWORD nSize                              // 管道大小
);

具名管道用以下函數建立：

HANDLE CreateNamedPipe(
 LPCTSTR lpName,                             // 管道名
      DWORD dwOpenMode,                           // 管道開啟檔案
     DWORD dwPipeMode,                           // 管道模式
 DWORD nMaxInstances,                        // 該管道最大的執行個體數量
 DWORD nOutBufferSize,                       // 輸出緩衝區大小
 DWORD nInBufferSize,                        // 輸入緩衝區大小
 DWORD nDefaultTimeOut,                      // 指定預設的逾時時間
 LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes // 描述安全資訊的一個結構
);

管道由以下函數刪除：

BOOL CloseHandle(
 HANDLE hObject   // 管道控制代碼
);

其它的管道函數簡介如下：

CallNamedPipe：串連到一個具名管道，讀取或寫入資料之後關閉它。

ConnectNamedPipe：服務進程準備好一個串連到客戶進程的管道，並等待一個客戶進程串連上為止。

DisconnectNamedPipe：服務端用來斷開與用戶端的串連。

GetNamedPipeHandleState：擷取一個具名管道的狀態資訊。

GetNamedPipeInfo：擷取一個具名管道的資訊。

PeekNamedPipe：從一個匿名或具名管道中拷貝資料到一個緩衝區。

SetNamedPipeHandleState：設定管道的類型及其它狀態資訊，比如說是位元流還是訊息流程管道。

TransactNamedPipe：從一個訊息管道讀訊息或向其寫入訊息。

WaitNamedPipe：客戶進程用來串連到一個具名管道。

郵路是由郵路服務進程建立。當郵路服務進程建立了一個郵路後，便返回該郵路控制代碼。當某個進程需要從該郵路中讀取訊息時，它必須提供該控制代碼。只有建立該郵路的進程，或以某種機制（比如繼承）獲得該郵路控制代碼的進程能夠從郵路中讀取訊息。與管道不同，所有的郵路都是從屬於建立它的本地進程的，你無法建立一個遠端郵路。郵路的客戶進程具有向郵路寫入訊息的許可權。任何進程只要獲得了郵路的名字，就可以往裡面寫入訊息，新的訊息將放在郵路的訊息佇列後面。

郵路能在一個域中廣播訊息。如果域中幾個進程每個都用相同的名字建立了一個郵路，則它們都會收到送往該郵路的訊息。

在郵路中傳遞的訊息如果小於425位元組，那麼它們會以資料包的形式傳遞。大於425位元組的訊息會以其它的方式傳輸，在這種情況下，你只能從一個客戶進程傳遞給一個服務進程，而不能從一個客戶進程傳遞給多個服務進程。且Windows NT不支援大於等於425個位元組的訊息傳遞。

郵路由以下函數建立：

HANDLE CreateMailslot(
 LPCTSTR lpName,                            // 郵路名
 DWORD nMaxMessageSize,                     // 訊息最大的大小
 DWORD lReadTimeout,                        // 讀取操作的逾時時間
 LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes // 描述安全資訊的一個結構
);

郵路由以下函數刪除：

BOOL CloseHandle(
 HANDLE hObject   // 郵路控制代碼
);

其它郵路函數簡介如下：

GetMailslotInfo：擷取指定郵路的相關資訊。

SetMailslotInfo：設定指定郵路的相關資訊。

Windows系列作業系統對管道和郵路的支援就是這樣，除此之外，記憶體對應檔也是進程間資料交流的重要方式，但限於篇幅，本文不再具體介紹。