关于进程间的通信方式的总结

Posted 2023-02-06 adventure.Li

一、背景

在人类思想史上,马克思第一次对人的本质作出科学界定:人的本质是一切社会关系的总和。时间万物都存在或多或少的关系。那么人除了天生父子这样的家族关系，还有后天 通过 语言 ，这样区别于其他动物的方式来进行和其他人的交流产生关系。

在计算机中，单个机器或者说应用玩儿是没有意思的，只是完成了个体的语言翻译【计算机的执行本质上也是一种语言翻译的过程，通过 中间层 将 人类语言 翻译为 机器语言】。因此，网络的诞生以及进程间的通信极大丰富了计算机世界。我们下面来看看 进程间、线程间是如何通信的以及现有的网络模型有哪些？

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二、进程间通信

通信是指由一地向另一地进行消息的有效传递。关键点则是 抓住 点（进程、线程、主机或集群），介质（文件、内存、管道、网线）。而进程的概念则是针对的操作系统的概念，所以研究范围则为操作系统。在现有的Linux操作系统的进程通信方式有以下几种。

分类

• 管道
• 消息传递、消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 信号
• 信号驱动

在理解通信之前，我们先来简单回顾一些进程的基础概念。进程是资源分配（内存、文件等资源）的基本单位，在线程未出现之前也是CPU的调度单位。在Linux的表现为 task_struct 结构体(Linux下的进程控制块PCB)。可GitHub 去搜索一下 sched.h文件看看【快捷键T 】。重点关注一下 含有的资源。

通过进程的基本属性，我们可以发现 进程 想要 和另外的进程交流 只能通过CPU的寄存器、内存、文件等公有的介质交流。

管道

基本概念

进程通信的使用例子之一是UNIX系统的管道通信。UNIX系统从System V 开始，提供有名管道和无名管道两种通信方式。

• 匿名管道：像 ls | grep main 命令中 | 就是管道 ，作用是将ls命令的结果写入管道文件，grep再从管道文件中读出数据，过滤出名字中有“main”的文件。
• 命名管道：也被叫做 FIFO，采用mkfifo 命令进行创建

特点

• 通信效率低：由于管道文件处于磁盘，这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。
• 半双工：只能单向写入、读出，通信需要建立两个fd
• 实现简单：实现读写端，并且容易感知到。

消息队列（传递）

基本概念

设计一个中间层：消息队列（保存在内核中的消息链表）,进行解耦，不让进程之间进行直接交互数据，通过处于运行于内核的消息链表（物理上的介质在内存层面，比文件更快）进行中转交互数据。

特点

• 需要进行用户态和内核态的数据拷贝（消息队列位于内核，在读\\取数据时需要系统调用）
• 对于交换较少数量的数据很有用，无需避免冲突。
• 对于分布式系统，消息传递易于实现。

共享内存

基本概念

为避免像消息传递的数据拷贝问题，共享内存则直接开辟进程进行交互的相同 物理 地址内存空间。
（对于进程角度来说就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。

特点

• 交互速度更快（IPC最快的方式）
• 存在高速缓存一致性问题，这是由共享数据在多个高速缓存之间迁移而引起的（信号量，PV操作来保证安全性）

信号

基本概念

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。
在 Linux 操作系统中， 为了响应各种各样的事件，提供了几十种信号，分别代表不同的意义。我们可以通过 kill -l 命令，查看所有的信号。

特点

• 唯一的异步事件机制
• 事件来源主要为硬件事件，其次才是软件

网络Socket

基本概念

对网络中不同主机上的应用进程之间进行双向通信的端点的抽象。一个套接字就是网络上进程通信的一端，提供了应用层进程利用网络协议交换数据的机制。从所处的地位来讲，套接字上联应用进程，下联网络协议栈，是应用程序通过网络协议进行通信的接口，是应用程序与网络协议栈进行交互的接口。

特点

• 用于不同主机间的进程通信
• 需要经过相关的网络协议控制

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三、线程通信

线程实际上是进程的特殊形式，在Linux实现上都是task_struct。它们直接通信则直接通过共享变量\\全局变量进行交互，它们更多关注的是资源竞争问题。