溫故之.NET進程間通信——管道

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鑒於小哥哥、小姐姐們每天的工作壓力都很大。決定以後每一篇文章講解的知識點最多不超過三個。這樣有三個好處

• 小哥哥、小姐姐們可以多花一點時間休息，或者陪陪家人
• 知識點少，可以保證我們可以理解得更深刻，也更容易記住
• 知識點少，這樣我們就可以在不增加篇幅的情況下，儘可能地講得深入一些。況且篇幅太長，小哥哥、小姐姐們看久了可能會比較累

進程間傳遞數據，常見的有以下幾種方式：

• 管道：包括命名管道和匿名管道，這篇文章將講解這種方式
• 內存映射文件：藉助文件和內存空間之間的映射關係，應用（包括多個進程）可以直接對內存執行讀取和寫入操作，從而實現進程間通信
• Socket：使用套接字在不同的進程間通信，這種通信方式下，需要佔用系統至少一個埠
• SendMessage：通過窗口句柄的方式來通信，此通信方式基於 Windows 消息 WM_COPYDATA 來實現
• 消息隊列：在對性能要求不高的情況下，我們可以使用 Msmq。但在實際項目中，一般使用 ActiveMQ、Kafka、RocketMQ、RabbitMQ等這些針對特定場景優化的消息中間件，以獲得最大的性能或可伸縮性優勢

其中，管道、內存映射文件、SendMessage的方式，一般用於單機上進程間的通信，在單機上使用這三種方式，比使用 Socket 要相對高效，且更容易控制

而 Socket 、消息隊列或其他基於Socket的通信方式，則適用範圍更廣。它不僅適用於本機進程間的通信，還適用於跨機器（包括跨網段）之間的通信，比如同一個集群裡面不同伺服器之間的通信、微服務群下各個微服務之間的通信。這也是目前用得最多得方式

雖然在互聯網化的今天，本機進程間通信可能用得不多。但在這篇文章中，我們還是有必要了解基於管道的進程間通信方式，後面我們會目前用得比較廣泛的一些框架

命名管道

命名管道，它可以在管道伺服器和一個或多個管道客戶端之間提供進程間通信。其特點如下

• 命名管道可以是單向的，也可以是雙向的
• 它們支持基於消息的通信（即創建服務端管道時，指定 PipeTransmissionMode.Message 選項），並允許多個客戶端使用相同的管道名稱同時連接到伺服器端進程
• 支持模擬，這樣連接進程就可以在遠程伺服器上使用自己的許可權

它既可用於本機進程間的通信，也能用於跨機器之間的通信，但實際中很少這樣用

跨機器通信，特別是在跨網路的情況下，目前普遍的做法是使用一些通信框架（比如分散式或微服務中，可使用Netty，RPC、REST或Thrift等等），畢竟這些通信框架大都成熟穩定，還經歷過商用的考驗

用於發送數據的示例代碼如下

using System;using System.IO;using System.IO.Pipes;namespace App { class Program { static void Main(string[] args) { /// 第一個參數為管道的名稱，第二個參數表示此處的管道用於發送數據 using (NamedPipeServerStream pipeServer = new NamedPipeServerStream("pipe_demo", PipeDirection.Out)) { // 等待連接，程序會阻塞在此處，直到有一個連接到達 pipeServer.WaitForConnection(); try { using (StreamWriter sw = new StreamWriter(pipeServer)) { sw.AutoFlush = true; // 向連接的客戶端發送消息 sw.WriteLine("hello world "); } } catch (IOException e) { Console.WriteLine("ERROR: {0}", e.Message); } } Console.ReadLine(); } }}

用於接收數據的示例代碼如下

using System;using System.IO;using System.IO.Pipes;namespace App { class Program { static void Main(string[] args) { /// 第一個參數："." 表示此管道用於本機。此處用 "localhost"、"127.0.0.1" 也是可以的 /// 第二個參數：管道的名稱 /// 第三個參數：表示此處的管道用於接收數據 using (NamedPipeClientStream pipeClient = new NamedPipeClientStream(".", "pipe_demo", PipeDirection.In)) { pipeClient.Connect(); using (StreamReader sr = new StreamReader(pipeClient)) { string tmp; while ((tmp = sr.ReadLine()) != null) { Console.WriteLine($"收到數據: {tmp}"); } } } Console.ReadLine(); } }}

關於命名管道的命名，我們這兒使用的是 "pipe_demo" , 推薦採用 "公司名.項目名稱.模塊名稱.管道用途" 的方式命名。這不但可以減小與其他命名管道名稱衝突的可能性，還可以讓這個管道更具有識別性（通過名稱就能知道這個管道是幹嘛的）

其中，通過在創建管道時，指定 PipeDirection 選項，可以讓管道工作於雙工、半雙工的通信模式下

public enum PipeDirection { // 表示此管道用於接收數據 In = 1, // 表示此管道用於發送數據 Out = 2, // 表示此管道既可發送數據，也可以接收數據 InOut = 3}

如果對這種通信方式感興趣，可以參考 NamedPipeServerStream 與 NamedPipeClientStream 其他的構造函數，來找到更加符合自身業務的模式

匿名管道

匿名管道只能在本機上提供進程間通信。與命名管道相比，其有如下特點

• 匿名管道需要的開銷更少，但提供的服務有限
• 匿名管道是單向的，且不能通過網路使用，即不能跨網進行通信
• 僅支持一個伺服器實例
• 匿名管道可用於線程間通信，也可用於父進程和子進程之間的通信，因為管道句柄可以輕鬆傳遞給所創建的子進程。

服務端 AnonymousPipeServerStream 定義如下

public sealed class AnonymousPipeServerStream : PipeStream { public AnonymousPipeServerStream(); public AnonymousPipeServerStream(PipeDirection direction); public AnonymousPipeServerStream(PipeDirection direction, HandleInheritability inheritability); public AnonymousPipeServerStream(PipeDirection direction, HandleInheritability inheritability, int bufferSize); public AnonymousPipeServerStream(PipeDirection direction, SafePipeHandle serverSafePipeHandle, SafePipeHandle clientSafePipeHandle); public AnonymousPipeServerStream(PipeDirection direction, HandleInheritability inheritability, int bufferSize, PipeSecurity pipeSecurity); public SafePipeHandle ClientSafePipeHandle { get; } // 此管道的傳輸模式：在匿名管道中，只支持 PipeTransmissionMode.Byte 這種方式 public override PipeTransmissionMode TransmissionMode { get; } public override PipeTransmissionMode ReadMode { set; } public void DisposeLocalCopyOfClientHandle(); public string GetClientHandleAsString(); protected override void Dispose(bool disposing);}

可以看到，其定義了多個構造函數，提供了本機進程中的多種管道通信模式。其中

• HandleInheritability 用於指明子進程是否可以繼承伺服器端的底層句柄
• SafePipeHandle 用於指定客戶端和服務端的安全句柄
• PipeSecurity 用於指定客戶端的訪問許可權

一般情況下，我們只需要使用前三個構造函數即可，後面幾個用的很少

客戶端 AnonymousPipeClientStream 定義如下

public sealed class AnonymousPipeClientStream : PipeStream { public AnonymousPipeClientStream(string pipeHandleAsString); public AnonymousPipeClientStream(PipeDirection direction, string pipeHandleAsString); public AnonymousPipeClientStream(PipeDirection direction, SafePipeHandle safePipeHandle); // 此管道的傳輸模式：在匿名管道中，只支持 PipeTransmissionMode.Byte 這種方式 public override PipeTransmissionMode TransmissionMode { get; } public override PipeTransmissionMode ReadMode { set; }}

其中，pipeHandleAsString 參數是父進程在創建此子進程的時候傳遞的安全句柄

其服務端示例如下

using System;using System.Diagnostics;using System.IO;using System.IO.Pipes;namespace App { class Program { static void Main(string[] args) { Process pipeClient = new Process(); // 客戶端可執行文件的路徑 pipeClient.StartInfo.FileName = @"C:UsersJamesource
eposConsoleApp4ConsoleApp4inDebugConsoleApp4.exe"; using (AnonymousPipeServerStream pipeServer = new AnonymousPipeServerStream(PipeDirection.Out, HandleInheritability.Inheritable)) { // 將句柄傳入 pipeClient.StartInfo.Arguments =pipeServer.GetClientHandleAsString(); pipeClient.StartInfo.UseShellExecute = false; pipeClient.Start(); pipeServer.DisposeLocalCopyOfClientHandle(); try { using (StreamWriter sw = new StreamWriter(pipeServer)) { sw.AutoFlush = true; sw.WriteLine("SYNC"); pipeServer.WaitForPipeDrain(); Console.Write("[SERVER] Enter text: "); sw.WriteLine(Console.ReadLine()); } } catch (IOException e) { Console.WriteLine("[SERVER] Error: {0}", e.Message); } } pipeClient.WaitForExit(); pipeClient.Close(); Console.WriteLine("[SERVER] Client quit. Server terminating."); Console.ReadLine(); } }}

客戶端代碼如下

using System;using System.IO;using System.IO.Pipes;namespace App { class Program { static void Main(string[] args) { if (args.Length > 0) { // 其中，args[0] 表示傳入的句柄 using (PipeStream pipeClient = new AnonymousPipeClientStream(PipeDirection.In, args[0])) { using (StreamReader sr = new StreamReader(pipeClient)) { string temp; do { Console.WriteLine("[CLIENT] Wait for sync..."); temp = sr.ReadLine(); } while (!temp.StartsWith("SYNC")); while ((temp = sr.ReadLine()) != null) { Console.WriteLine("[CLIENT] Echo: " + temp); } } } } Console.ReadLine(); } }}

在匿名管道這個例子中，需要我們先編譯客戶端的代碼，否則可能會有錯誤

• 如果客戶端還未編譯，則父進程會找不到文件
• 如果客戶端已經編譯，父進程可啟動。但如果我們需要再次編譯子進程項目時，會報文件被佔用的錯誤

通過以上的講解，如果需要使用管道來實現進程間的通信，我們可以按以下方式選擇

• 如果只需要單向通信，且兩個進行間的關係為父子進程，則可以使用匿名管道
• 如果需要雙向通信，則使用命名管道
• 如果我們無法決定到底該選擇什麼，那就選擇命名管道的雙向通信方式。在現在的電腦上，命名管道於匿名管道性能的差別我們可以忽略不記。而雙向通信的命名管道，既可單向，又可雙向，更加靈活