深入理解和实现Windows进程间通信（消息队列）

常见的进程间通信方法

常见的进程间通信方法有：

  1. 管道（Pipe）
  2. 消息队列
  3. 共享内存
  4. 信号量
  5. 套接字

下面，我们将详细介绍消息队列的原理以及具体实现。

什么是消息队列？

Windows操作系统使用消息机制来促进应用程序与操作系统之间的通信。每当发生事件（如键盘按键、鼠标移动或系统事件）时，操作系统都会生成相应的消息。这些消息被发送到一个特定的消息队列中，随后由应用程序的消息循环处理。

消息队列

每个创建了窗口的线程都拥有一个消息队列，用于存储等待处理的消息。这些消息包括用户动作（如鼠标点击、键盘操作）和系统通知（如窗口重绘请求、系统关闭通知）。

消息循环

线程通过一个循环机制，称为消息循环或消息泵，从其消息队列中检索消息。消息循环的基本操作包括：

  • 检索消息：使用GetMessage或PeekMessage。
  • 翻译消息：TranslateMessage转换键盘输入。
  • 分发消息：DispatchMessage将消息派发给目标窗口的窗口过程。

消息分类

消息主要包含：

  • 系统消息：涉及窗口生命周期管理，如WM_CLOSE和WM_QUIT等。
  • 硬件消息：反映用户与硬件的交互，如WM_KEYDOWN和WM_MOUSEMOVE等。

除了上面提到的消息外，用户还可以自定义消息，自定义消息一般从WM_USER（0x0400）开始，到0x7FFF这样一个范围内，比如：
#define WM_CUSTOM_MSG WM_USER+100

接口介绍

GetMessage、PeekMessage、SendMessage、PostMessage这四个接口是Windows消息处理的核心，它们各自承担着不同的角色和功能。

GetMessage

原型

BOOL GetMessage(LPMSG lpMsg,HWND  hWnd,UINT  wMsgFilterMin,UINT  wMsgFilterMax
);

参数解释

  • lpMsg：指向MSG结构的指针，该结构将接收消息的详细信息。
  • hWnd：指定窗口的句柄，如果为NULL，则接收属于调用线程的任何窗口的消息。
  • wMsgFilterMin和wMsgFilterMax：指定要检索的消息范围的最小值和最大值。如果两者都为0，函数将返回所有可用的消息。

功能和特点

  • GetMessage用于从调用线程的消息队列中检索消息。该函数在有消息到达时返回，如果遇到退出消息WM_QUIT，则返回FALSE。
  • 该函数是阻塞的，如果没有消息，它会等待消息的到来。

PeekMessage

原型

BOOL PeekMessage(LPMSG lpMsg,HWND  hWnd,UINT  wMsgFilterMin,UINT  wMsgFilterMax,UINT  wRemoveMsg
);

参数解释

  • lpMsg：指向MSG结构的指针，该结构将接收消息的详细信息。
  • hWnd：指定窗口的句柄，如果为NULL，则获取属于调用线程的任何窗口的消息。
  • wMsgFilterMin和wMsgFilterMax：指定要检索的消息范围的最小值和最大值。
  • wRemoveMsg：指定消息如何处理。常用值有：PM_REMOVE、PM_NOREMOVE。

功能和特点

  • PeekMessage用于非阻塞地检查调用线程的消息队列，允许你查看消息队列中的消息而不必移除它。
  • 可以配置为从队列中移除消息或仅检查消息而不移除。
  • 常用于动画或游戏编程中，确保应用程序保持响应用户操作，同时继续进行其它处理。

SendMessage

原型

LRESULT SendMessage(HWND   hWnd,UINT   Msg,WPARAM wParam,LPARAM lParam
);

参数解释

  • hWnd：接收消息的窗口的句柄。
  • Msg：消息的标识符。
  • wParam 和 lParam：消息特定的附加信息。

功能和特点

  • SendMessage同步发送消息，调用方在接收窗口处理该消息之前会阻塞。
  • 可用于发送任何类型的消息，并且能够获取消息处理的结果。

PostMessage

原型

BOOL PostMessage(HWND   hWnd,UINT   Msg,WPARAM wParam,LPARAM lParam
);

参数解释

  • hWnd：接收消息的窗口的句柄。
  • Msg：消息的标识符。
  • wParam 和 lParam：消息特定的附加信息。

功能和特点

  • PostMessage异步发送消息，将消息放入消息队列后立即返回，不等待消息被处理。
  • 适合用于那些不需要立即反馈的消息发送，如状态更新或通知消息。

实现

问题

实现两个进程，进程1发送消息给进程2，相关代码如下：

// 进程1
int main()
{HWND hWnd = FindWindow(NULL, L"WindowsProject1"); // 找到进程2的句柄const wchar_t* message = L"Hello!";if (hWnd != NULL) {SendMessage(hWnd, WM_USER+100, 0, (LPARAM)message);}std::cin.get();
}

// 进程2
#define WM_CUSTOMMSG   (WM_USER+100)
LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{switch (message){case WM_CUSTOMMSG: {wchar_t* receivedMessage = reinterpret_cast<wchar_t*>(lParam);SetWindowText(hLabel, receivedMessage);}break;...}return 0;
}

进程1通过自定义消息（WM_USER+100）发送了一个字符串给进程2，进程2的确收到了消息，但是数据获取失败。

因为进程1准备发送的数据存储在进程1的虚拟内存中，进程2是无法通过地址来获取这个数据的，所以进程2虽然收到消息了，但是无法得到对应的数据。

所以在进程间通过消息队列通信时需要保证传递的数据的安全性。

WM_COPYDATA

WM_COPYDATA是一个Windows消息，用于在Windows应用程序之间传递数据。这个消息特别适用于跨进程通信，允许一个应用程序向另一个应用程序的窗口发送数据，无论这些数据是简单的数值、字符串还是更复杂的结构通。

原理

当一个应用程序需要向另一个应用程序发送数据时，它可以将数据封装在COPYDATASTRUCT结构中，并通过SendMessage函数发送WM_COPYDATA消息。当接收窗口的窗口过程收到这条消息时，它可以从COPYDATASTRUCT结构中提取数据。

COPYDATASTRUCT结构

这个结构用于封装要传递的数据，其定义如下：

typedef struct tagCOPYDATASTRUCT {ULONG_PTR dwData;  // 任意值，由发送方设置，接收方可以用它来识别数据DWORD cbData;      // lpData指向的数据的大小，以字节为单位PVOID lpData;      // 指向要传递的数据的指针
} COPYDATASTRUCT, *PCOPYDATASTRUCT;
  • dwData：这是一个用户定义的数据值，发送方可以使用它来传递额外的信息或数据类型标识，接收方则可以用它来决定如何解释接收到的数据。
  • cbData：这表示 lpData 指向的数据的大小（以字节为单位）。
  • lpData：这是一个指针，指向实际要传输的数据。

实现代码

进程1代码

int main()
{HWND hWnd = FindWindow(NULL, L"WindowsProject1");const wchar_t* message = L"Hello!";if (hWnd != NULL) {COPYDATASTRUCT cds;cds.dwData = 1;  // 用于识别数据的自定义标识cds.cbData = (wcslen(message) + 1) * sizeof(wchar_t);  // 包括终止符的大小cds.lpData = (void*)message;SendMessage(hWnd, WM_COPYDATA, (WPARAM)hWnd, (LPARAM)&cds);}std::cin.get();
}

进程2代码

HWND hLabel;
BOOL InitInstance(HINSTANCE hInstance, int nCmdShow)
{hInst = hInstance; // 将实例句柄存储在全局变量中HWND hWnd = CreateWindowW(szWindowClass, szTitle, WS_OVERLAPPEDWINDOW,CW_USEDEFAULT, 0, CW_USEDEFAULT, 0, nullptr, nullptr, hInstance, nullptr);if (!hWnd){return FALSE;}hLabel = CreateWindowW(L"STATIC", L"Waiting for message...",WS_CHILD | WS_VISIBLE | SS_LEFT,10, 10, 300, 20,hWnd, (HMENU)1, hInstance, nullptr);ShowWindow(hWnd, nCmdShow);UpdateWindow(hWnd);return TRUE;
}LRESULT CALLBACK WndProc(HWND hWnd, UINT message, WPARAM wParam, LPARAM lParam)
{switch (message){case WM_COPYDATA: {PCOPYDATASTRUCT pCds = (PCOPYDATASTRUCT)lParam;if (pCds->dwData == 1) {const wchar_t* receivedStr = (const wchar_t*)pCds->lpData;SetWindowText(hLabel, receivedStr);}}break;case WM_COMMAND:{int wmId = LOWORD(wParam);// 分析菜单选择:switch (wmId){case IDM_ABOUT:DialogBox(hInst, MAKEINTRESOURCE(IDD_ABOUTBOX), hWnd, About);break;case IDM_EXIT:DestroyWindow(hWnd);break;default:return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);}}break;case WM_PAINT:{PAINTSTRUCT ps;HDC hdc = BeginPaint(hWnd, &ps);// TODO: 在此处添加使用 hdc 的任何绘图代码...EndPaint(hWnd, &ps);}break;case WM_DESTROY:PostQuitMessage(0);break;default:return DefWindowProc(hWnd, message, wParam, lParam);}return 0;
}

效果

image.png

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