Windows RPC编程详解

一、什么是远程过程调用

  什么是远程过程调用 RPC(Remote Procedure Call)? 你可能对这个概念有点陌生, 而你可能非常熟悉 NFS, 是的,
NFS 就是基于 RPC 的. 为了理解远程过程调用，我们先来看一下过程调用。

  所谓过程调用，就是将控制从一个过程 A 传递到另一个过程 B, 返回时过程 B 将控制进程交给过程 A。目前大多数系统
中, 调用者和被调用者都在给定主机系统中的一个进程中, 它们是在生成可执行文件时由链接器连接起来的, 这类过程调用称
为本地过程调用。

  远程过程调用(RPC)指的是由本地系统上的进程激活远程系统上的进程, 我们将此称为过程调用是因为它对程序员来说表现
为常规过程调用。处理远程过程调用的进程有两个, 一个是本地客户进程, 一个是远程服务器进程。对本地进程来说, 远程过
程调用表现这对客户进程的控制, 然后由客户进程生成一个消息, 通过网络系统调用发往远程服务器。网络信息中包括过程调
用所需要的参数, 远程服务器接到消息后调用相应过程, 然后将结果通过网络发回客户进程, 再由客户进程将结果返回给调用
进程。因此, 远程系统调用对调用者表现为本地过程调用, 但实际上是调用了远程系统上的过程。


二、远程过程调用模型

  本地过程调用: 一个传统程序由一个或多个过程组成。它们往往按照一种调用等级来安排。如下图所示:


  远程过程调用: 使用了和传统过程一样的抽象, 只是它允许一个过程的边界跨越两台计算机。如下图所示:


三、远程过程和本地过程的对比

  首先, 网络延时会使一个远程过程的开销远远比本地过程要大
  其次, 传统的过程调用因为被调用过程和调用过程运行在同一块内存空间上, 可以在过程间传递指针。而远程过程不能够将
指针作为参数, 因为远程过程与调用者运行在完全不同的地址空间中。
  再次, 因为一个远程调用不能共享调用者的环境, 所以它就无法直接访问调用者的 I/O 描述符或操作系统功能。


四、远程过程调用的几种版本 
  (1) Sun RPC (UDP, TCP)
  (2) Xerox Courier (SPP)
  (3) Apollo RPC (UDP, DDS)

  其中 Sun RPC 可用于面向连接或非面向连接的协议; Xerox Courier 仅用于面向连接的协议; Apollo RPC 仅用于非连接的协议
 

五、如何编写远程过程调用程序
 
  为了将一个传统的程序改写成 RPC 程序, 我们要在程序里加入另外一些代码, 这个过程称作 stub 过程。我们可以想象一
个传统程序, 它的一个过程被转移到一个远程机器中。在远程过程一端, stub 过程取代了调用者。这样 stub 实现了远程过
程调用所需要的所有通信。因为 stub 与原来的调用使用了一样的接口, 因此增加这些 stub 过程既不需要更改原来的调用过
程, 也不要求更改原来的被调用过程。如下图所示:

 

Win32 RPC 编程(一)

我们从一个简单的 RPC “Hello, world!”的例子开始。
参考资料：MSDN: Win32 and COM Development -> Networking -> Network Protocols -> Remote Procedure Calls (RPC)


第1步：编写 IDL（Interface Description Language，接口描述语言）文件
-------------------------------------------------------------------------
IDL 是一个通用的工业标准语言，大家应该不陌生，因为 COM 里面也是用它来描述接口的。
Hello.idl:

[
     uuid("4556509F-618A-46CF-AB3D-ED736ED66477"),   // 唯一的UUID，用 GUIDGen 生成
     version(1.0)
]

interface HelloWorld 
{
     // 我们定义的方法
     void Hello([in,string]const char * psz);
     void Shutdown(void); 
}


一个可选的文件是应用程序配置文件（.acf），它的作用是对 RPC 接口进行配置，例如下面的 Hello.acf 文件：
Hello.acf:

[ 
     implicit_handle(handle_t    HelloWorld_Binding) 
] 

interface HelloWorld
{

}

上面定义了 implicit_handle，这样客户端将绑定句柄 HelloWorld_Binding 了，后面的客户端代码中我们会看到。


编译 IDL 文件：
>midl Hello.idl
Microsoft (R) 32b/64b MIDL Compiler Version 6.00.0366
Copyright (c) Microsoft Corporation 1991-2002. All rights reserved.
Processing ./Hello.idl
Hello.idl
Processing ./Hello.acf
Hello.acf

 
我们可以看到自动生成了 Hello.h, Hello_s.c, Hello_c.c 文件，这些叫做 rpc stub 程序，不过我们可以不管这个概念，
我们只需要知道 Hello.h 里面定义了一个

extern RPC_IF_HANDLE HelloWorld_v1_0_s_ifspec;

这个 RPC_IF_HANDLE 将在后面用到。

 
第2步：编写服务端程序
-------------------------------------------------------------------------
第1步中我们已经约定了调用的接口，那么现在我们开始实现其服务端。代码如下：
server.c

#include
#include
#include "Hello.h"     // 引用MIDL 生成的头文件

/**
 * 这是我们在IDL 中定义的接口方法
 * 需要注意一点，IDL 里面的声明是：void Hello([in,string]const char * psz);
 * 但是这里变成了const unsigned char *，为什么呢？
 * 参见MSDN 中的MIDL Command-Line Reference -> /char Switch
 * 默认的编译选项，对 IDL 中的char 按照unsigned char 处理
 */

void Hello(const unsigned char * psz)
{
     printf("%s/n", psz);
}

 
/** 这也是我们在IDL 中定义的接口方法，提供关闭server 的机制*/
void Shutdown(void)
{
     // 下面的操作将导致 RpcServerListen() 退出
     RpcMgmtStopServerListening(NULL);
     RpcServerUnregisterIf(NULL, NULL, FALSE);
}

int main(int argc,char * argv[])
{
     // 用Named Pipe 作为RPC 的通道，这样EndPoint 参数就是Named Pipe 的名字
     // 按照Named Pipe 的命名规范，/pipe/pipename，其中pipename 可以是除了/
     // 之外的任意字符，那么这里用一个GUID 串来命名，可以保证不会重复
     RpcServerUseProtseqEp((unsigned char *)"ncacn_np", 20, (unsigned char *)"//pipe//{8dd50205-3108-498f-96e8-dbc4ec074cf9}", NULL);   

     // 注册接口，HelloWorld_v1_0_s_ifspec 是在MIDL 生成的Hello.h 中定义的
     RpcServerRegisterIf(HelloWorld_v1_0_s_ifspec, NULL, NULL);
   
     // 开始监听，本函数将一直阻塞
     RpcServerListen(1,20,FALSE);
     return 0;
}

// 下面的函数是为了满足链接需要而写的，没有的话会出现链接错误
void __RPC_FAR* __RPC_USER midl_user_allocate(size_t len)
{
     return(malloc(len));
}

void __RPC_USER midl_user_free(void __RPC_FAR *ptr)
{
     free(ptr);
}

 

编译：
>cl /D_WIN32_WINNT=0x500 server.c Hello_s.c rpcrt4.lib
用于 80x86 的 Microsoft (R) 32 位 C/C++ 优化编译器 14.00.50727.42 版
版权所有(C) Microsoft Corporation。保留所有权利。

server.c
Hello_s.c
正在生成代码...
Microsoft (R) Incremental Linker Version 8.00.50727.42
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.

/out:server.exe
server.obj
Hello_s.obj
rpcrt4.lib

编译时为什么要指定 _WIN32_WINNT=0x500 呢？因为如果没有的话会报告下面的错误：
Hello_s.c(88) : fatal error C1189: #error :  You need a Windows 2000 or later to
run this stub because it uses these features:

 
第3步：编写客户端程序
-------------------------------------------------------------------------
客户端的代码：
client.c

#include
#include
#include
#include "Hello.h"     // 引用MIDL 生成的头文件

int main(int argc, char * argv[])
{
     unsigned char * pszStringBinding = NULL;
     if ( argc != 2 )
     {
         printf("Usage:%s /n", argv[0]);
         return 1;
     }   

     // 用Named Pipe 作为RPC 的通道。参见server.c 中的RpcServerUseProtseqEp() 部分
     // 第3 个参数NetworkAddr 如果取NULL，那么就是连接本机服务
     // 否则要取////servername 这样的格式，例如你的计算机名为jack，那么就是//jack
     RpcStringBindingCompose( NULL, (unsigned char*)"ncacn_np", /*(unsigned char*)"////servername"*/ NULL, (unsigned char*)"//pipe//{8dd50205-3108-498f-96e8-dbc4ec074cf9}", NULL, &pszStringBinding );

     // 绑定接口，这里要和 Hello.acf 的配置一致，那么就是HelloWorld_Binding
     RpcBindingFromStringBinding(pszStringBinding, & HelloWorld_Binding );   

     // 下面是调用服务端的函数了
     RpcTryExcept
     {
         if ( _stricmp(argv[1], "SHUTDOWN") == 0 )
         {
              Shutdown();
         }
         else
         {
              Hello((unsigned char*)argv[1]);
         }
     }
     RpcExcept(1)
     {
         printf( "RPC Exception %d/n", RpcExceptionCode() );
     }
     RpcEndExcept

 
     // 释放资源
     RpcStringFree(&pszStringBinding);
     RpcBindingFree(&HelloWorld_Binding);
     return 0;
}

 
// 下面的函数是为了满足链接需要而写的，没有的话会出现链接错误
void __RPC_FAR* __RPC_USER midl_user_allocate(size_t len)
{
     return(malloc(len));
}

void __RPC_USER midl_user_free(void __RPC_FAR *ptr)
{
     free(ptr);
}

 

编译：
>cl /D_WIN32_WINNT=0x500 client.c Hello_c.c rpcrt4.lib
用于 80x86 的 Microsoft (R) 32 位 C/C++ 优化编译器 14.00.50727.42 版
版权所有(C) Microsoft Corporation。保留所有权利。

client.c
Hello_c.c
正在生成代码...
Microsoft (R) Incremental Linker Version 8.00.50727.42
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.

/out:client.exe
client.obj
Hello_c.obj
rpcrt4.lib

 

第4步：测试：
-------------------------------------------------------------------------
运行 server.exe，将弹出一个 console 窗口，等待客户端调用。
运行客户端 client.exe：

>client hello
可以看到 server.exe 的 console 窗口出现 hello 的字符串。


>client shutdown
server.exe 退出。

Win32 RPC 编程(二)

这部分基本和上一节一样，不过上一节中 RPC 是通过 Named Pipe 调用的，这里我们再试一下 TCP 的方式。
代码大部分都是相同的, IDL 接口不用变(无论是通过什么方式 RPC，接口都是与之无关的)。

服务端要换成 TCP 的方式：
---------------------------------
int main(int argc,char * argv[])
{
     // 用TCP 方式作为RPC 的通道。绑定端口13521。
     RpcServerUseProtseqEp(
         (unsigned char *)"ncacn_ip_tcp",
         RPC_C_PROTSEQ_MAX_REQS_DEFAULT,
         (unsigned char *)"13521",
         NULL);    

     // 注意：从Windows XP SP2 开始，增强了安全性的要求，如果用 RpcServerRegisterIf() 注册
     // 接口，客户端调用时会出现 RpcExceptionCode() == 5，即Access Denied 的错误. 因此，必
     // 须用 RpcServerRegisterIfEx 带 RPC_IF_ALLOW_CALLBACKS_WITH_NO_AUTH 标志允许客户端直
     // 接调用。

     // RpcServerRegisterIf(HelloWorld_v1_0_s_ifspec, NULL, NULL);
     RpcServerRegisterIfEx(
         HelloWorld_v1_0_s_ifspec, // Interface to register.
         NULL,
         NULL, // Use the MIDL generated entry-point vector.
         RPC_IF_ALLOW_CALLBACKS_WITH_NO_AUTH,
         0,
         NULL);

       // 后面都相同
       ...

     return 0;
}

 
客户端的调用方式也要换：
---------------------------------
int main(int argc, char * argv[])
{
     // 前面都相同
     ...
   
     // 用 TCP 方式作为 RPC 的通道。服务器端口 13521。第3个
     // 参数 NetworkAddr 如果取 NULL，那么就是连接本机服务,
     // 也可以取IP, 域名, servername 等
     RpcStringBindingCompose(
         NULL,
         (unsigned char*)"ncacn_ip_tcp",
         (unsigned char*)"localhost" /*NULL*/,
         (unsigned char*)"13521",
         NULL,
         &pszStringBinding
     );
   
     // 后面都相同
     ...
}

别的地方都是一样的。
我们在上一节的基础上，讨论如何实现异步的 RPC 调用。前两节演示的函数调用都是同步的，即调用函数 Hello() 时，
客户端将阻塞住直到服务端的 Hello() 函数返回。如果服务端函数需要进行一些费时的操作，例如复杂的计算、查询，
客户端只能一直阻塞在那里。这种情况下，我们可以使用异步的 RPC 提高客户端的性能。

异步的RPC是通过配置文件（.acf）来启用的：
--------------------------------------------
Hello.acf:

[  
       implicit_handle(handle_t HelloWorld_Binding)  
]  

interface  HelloWorld
{
       [async] Hello();  // 增加了 [async] 表明这是异步调用
}

 
原来的接口 HelloWorld 有两个方法，Hello() 和 Shutdown()，Shutdown() 我们仍然让它是同步调用，所以在.acf文
件中不用列出。IDL 接口文件还是可以不用修改。


服务端的代码 server.c 中的 Hello() 要改成下面的样子：
------------------------------------------------------
void Hello(PRPC_ASYNC_STATE rpcAsyncHandle, const unsigned char * psz)
{
     // 模拟一个长时间的操作
     printf("Sleep 5 seconds.../n");
     Sleep(5000);
 

     printf("%s/n", psz);
     // 表明调用已经完成

     RpcAsyncCompleteCall(rpcAsyncHandle, NULL);
}

服务端的其它代码不用修改。
 

客户端client.c中的调用方式也要换：
---------------------------------
int main(int argc, char * argv[])
{
     // 前面都相同
     ...
   
     // 下面是调用服务端的函数
     RpcTryExcept
     {

         if ( _stricmp(argv[1], "SHUTDOWN") == 0 )
         {
              Shutdown();
         }
         else
         {
              // 初始化异步调用
              RPC_ASYNC_STATE async;
              RpcAsyncInitializeHandle( &async, sizeof(async) );
              async.UserInfo = NULL;
              async.NotificationType = RpcNotificationTypeNone;

              // 本函数能立即返回
              Hello( &async, (unsigned char*)argv[1]);

              // 查询调用的状态
              while ( RpcAsyncGetCallStatus(&async) == RPC_S_ASYNC_CALL_PENDING )
              {
                   printf("Call Hello() pending, wait 1s.../n");
                   Sleep(1000);
              }

              // 通知调用已经完成
              RpcAsyncCompleteCall( &async, NULL );
         }
     }
     RpcExcept(1)
     {
         printf( "RPC Exception %d/n", RpcExceptionCode() );
     }
     RpcEndExcept

   
     // 后面都相同
     ...
}

这样客户端就实现了异步调用!

Win32 RPC 编程(四)

这节我们来谈谈 Windows NT 下 RPC 的高性能模式 - LPC。

很多 Windows 编程入门的书里面讲 Windows 的进程间通信，都会讲 WM_COPYDATA，讲匿名管道，讲命名管道，讲共享内存等等，
但是很少有讲 RPC 的，为什么呢？因为 RPC 看名字，就叫“Remote Procedure Call”，一看就是给分布式系统通信用的，虽然
也可以作为本机进程间通信用，但是性能上总是让人怀疑。所以很多人设计的进程间通信模型，都是用 WM_COPYDATA，或者管道，
或者干脆共享内存，相当于自己造轮子，一切从头做起。但 RPC 确实好用啊，调用起来就像调用库函数一样，通信的细节全给你
封装起来了。那 RPC 有没有性能好一点的模式呢？这就是下面要讲的 LPC 模式了。

LPC（Local Procedure Call）是 Windows NT 内部的高性能的通信模式。它是在内核中实现的，主要用于 Win32 子系统内部的
通信，比如 csrss, lsass 都大量的用到了 LPC。在前面演示的代码中，只需要改一行代码,我们就可使用 LPC 了,其实 RPC 就
是内部使用 LPC 来进行通信，性能大大提高。

服务端代码：
server.c
--------------
// 用LPC 方式通信
RpcServerUseProtseqEp(
    (unsigned char *)"ncalrpc",
    RPC_C_PROTSEQ_MAX_REQS_DEFAULT,
    (unsigned char *)"AppName",
    NULL);


客户端代码：
client.c
--------------
// 用LPC 方式通信
// 第3 个参数NetworkAddr 只能取NULL
RpcStringBindingCompose(
    NULL,
    (unsigned char*)"ncalrpc",
    NULL, (unsigned char*)"AppName",
    NULL,
    &pszStringBinding );