面试了这么多场，“ 进程间的通信 ” 真是从不缺席，小伙伴们赶快重视起来！！

Posted 2022-11-12 小乔不掉发

进程间通信：

• 1、管道：
• 2、消息队列：
• 3、共享内存：
• 4、信号量：
• 5、信号：
• 6、Socket（套接字）：

每个进程的用户地址空间都是独立的，一般而言是不能互相访问的，但内核空间是每个进程都共享的，所以进程之间要通信必须通过内核。
在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为 进程间通信。

---

1、管道：

匿名管道：

• 管道是单向的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道。
• 只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);
• 单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
• 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
• 效率低，不适合频繁交换数据
  

管道的实质：

• 管道的实质是一个内核缓冲区，进程以先进先出的方式从缓冲区存取数据，管道一端的进程顺序的将数据写入缓冲区，另一端的进程则顺序的读出数据。
• 该缓冲区可以看做是一个循环队列，读和写的位置都是自动增长的，不能随意改变，一个数据只能被读一次，读出来以后在缓冲区就不复存在了。
• 当缓冲区读空或者写满时，有一定的规则控制相应的读进程或者写进程进入等待队列，当空的缓冲区有新数据写入或者满的缓冲区有数据读出来时，就唤醒等待队列中的进程继续读写。

管道的局限：

• 只支持单向数据流；
• 只能用于具有亲缘关系的进程之间；
• 没有名字；
• 管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
• 管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；

有名管道：

匿名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道

• 有名管道 不同于匿名管道之处在于它 提供了一个路径名 与之关联，以有名管道的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与有名管道的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过有名管道相互通信，因此，通过有名管道不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，有名管道严格遵循 先进先出 ,对匿名管道及有名管道的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。

总结：

• 在 shell 里通过「|」匿名管道将多个命令连接在一起，实际上也就是创建了多个子进程，那么在我们编写 shell 脚本时，能使用一个管道搞定的事情，就不要多用一个管道，这样可以减少创建子进程的系统开销。
• 对于匿名管道，它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体，也就是没有管道文件，只能通过 fork 来复制父进程 fd 文件描述符，来达到通信的目的。
• 对于命名管道，它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道，提前创建了一个类型为管道的设备文件，在进程里只要使用这个设备文件，就可以相互通信。
• 不管是匿名管道还是命名管道，进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取，同时通信数据都遵循先进先出原则，不支持 lseek 之类的文件定位操作

---

2、消息队列：

A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。（就像平时发邮件一样，你来一封，我回一封，可以频繁沟通了。）

• 消息队列是存放在内核中的 消息链表，每个消息队列由消息队列标识符表示。
• 消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息。
• 管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。
• 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。
• 消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺。
• 目前主要有两种类型的消息队列：POSIX消息队列以及System V消息队列，系统V消息队列目前被大量使用。系统V消息队列是随内核持续的，只有在内核重起或者人工删除时，该消息队列才会被删除。

缺点：

• 消息队列 不适合大数据的传输，因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制，同时所有队列所包含的全部消息体的总长度也是有上限。在 Linux 内核中，会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。
• 消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。

与管道的比较：

管道	消息队列
无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统	存放在内核中
用完就被删除	有在内核重启或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。
随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁	在某个进程往一个队列写入消息之前，并不需要另外某个进程在该队列上等待消息的到达。

3、共享内存：

消息队列 的读取和写入的过程，都会有 发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。共享内存 的方式，就很好的解决了这一问题。

现代操作系统，对于内存管理：采用的是 虚拟内存技术。也就是每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。所以，即使进程 A 和 进程 B 的虚拟地址是一样的，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。

共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度。

---

4、信号量：

① 用了 共享内存通信方式，带来新的问题：那就是如果 多个进程同时修改同一个共享内存，很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写一个地址，那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了。
为了防止多进程竞争共享资源，而造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻只能被一个进程访问。正好，信号量就实现了这一保护机制。

信号量 （表示资源的数量）：其实是一个 整型的计数器，主要用于 实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。

② 控制信号量的方式有两种原子操作：（两个操作是必须成对出现）

• P 操作：信号量 减去 1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。（用在进入共享资源之前）
• V 操作：信号量 加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；（用在离开共享资源之后）
• 信号初始化为 1，就代表着是 互斥信号量，它可以保证共享内存在 任何时刻只有一个进程在访问
• 信号初始化为 0，就代表着是 同步信号量，它可以保证 访问者对资源的有序访问

③ 信号量与互斥量之间的区别：
（在大多数情况下，同步已经实现了互斥）

互斥量	信号量
用于线程的 互斥	用于线程的 同步
互斥：某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问（无序的）	同步：在互斥的基础上，通过其它机制实现访问者对资源的有序访问
互斥量值只能为 0/1	信号量值可以为非负整数
一个互斥量只能用于一个资源的互斥访问	信号量可以实现多个同类资源的多线程互斥和同步
互斥量的加锁和解锁必须由同一线程分别对应使用	信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到

5、信号：

① 上面的进程间通信，都是常规状态下的工作模式。对于 异常情况 下的工作模式，就需要用「信号」的方式来通知进程。

• 信号可以在 任何时候 发给某一进程，而无需知道该进程的状态（唯一的异步通信机制）
• 如果该进程当前并未处于执行状态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程回复执行并传递给它为止。
• 如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消是才被传递给进程

② Linux系统中 常用信号：

• Ctrl+C 产生 SIGINT 信号，表示终止该进程；
• Ctrl+Z 产生 SIGTSTP 信号，表示停止该进程，但还未结束；
• Ctrl+\\ \\ 产生 SIGQUIT信号，表示程序退出

③ 信号来源：

信号是 软件层次 上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式，信号可以在用户空间进程和内核之间直接交互，内核可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些系统事件，信号事件主要有两个来源：

• 硬件来源：用户按键输入Ctrl+C退出、硬件异常如无效的存储访问等。
• 软件终止：终止进程信号、其他进程调用kill函数、软件异常产生信号。
  

---

6、Socket（套接字）：

前面提到的 管道、消息队列、共享内存、信号量和信号 都是在 同一台主机上 进行进程间通信，那要想 跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了。

Socket是什么呢？

• Socket是 应用层 与 TCP/IP 协议族通信的 中间软件抽象层，它是一组接口。在设计模式中，Socket其实就是一个门面模式，它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面，对用户来说，一组简单的接口就是全部，让Socket去组织数据，以符合指定的协议。

套接字的特性由3个属性确定，它们分别是：域、端口号、协议类型

根据创建 socket 类型的不同，通信的方式也就不同：
1、针对 TCP 协议通信的 socket 编程模型：

先从服务器端说起。服务器端先初始化Socket，然后与端口绑定(bind)，对端口进行监听(listen)，调用accept阻塞，等待客户端连接。在这时如果有个客户端初始化一个Socket，然后连接服务器(connect)，如果连接成功，这时客户端与服务器端的连接就建立了。客户端发送数据请求，服务器端接收请求并处理请求，然后把回应数据发送给客户端，客户端读取数据，最后关闭连接，一次交互结束。

注意：

• 服务端调用 accept 时，连接成功了会返回一个已完成连接的 socket，后续用来传输数据。
• 监听的 socket 和真正用来传送数据的 socket，是「两个」 socket，一个叫作监听 socket，一个叫作已完成连接 socket。
• 成功连接建立之后，双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样

2、针对 UDP 协议通信的 socket 编程模型：

• UDP 是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要像 TCP 调用 listen 和 connect，但是 UDP 的交互仍然需要 IP 地址和端口号，因此也需要 bind。
• 对于 UDP 来说，不需要要维护连接，那么也就没有所谓的发送方和接收方，甚至都不存在客户端和服务端的概念，只要有一个 socket 多台机器就可以任意通信，因此每一个 UDP 的 socket 都需要 bind。
• 每次通信时，调用 sendto 和 recvfrom，都要传入目标主机的 IP 地址和端口

3、针对 本地进程间 通信的 socket 编程模型：

• 本地 socket 的编程接口和 IPv4 、IPv6 套接字编程接口是一致的，可以支持「字节流」和「数据报」两种协议；
• 本地 socket 的实现效率大大高于 IPv4 和 IPv6 的字节流、数据报 socket 实现；
  对于本地字节流 socket，其 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM。

对于本地数据报 socket，其 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。

本地字节流 socket 和 本地数据报 socket 在 bind 的时候，不像 TCP 和 UDP 要绑定 IP 地址和端口，而是 绑定一个本地文件，这也就是它们之间的最大区别。

参考引用：
https://www.jianshu.com/p/c1015f5ffa74
https://blog.csdn.net/qq_34827674/article/details/107678226