操作系统6——进程间通信IPC

Posted 2021-04-19 西邮3G实验室

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了操作系统6——进程间通信IPC相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

进程通信概述

进程通信是指进程间的信息交换。在进程的互斥与同步中，也在进程之间交换了一些信息，因此不少学者也将他们归为低级进程通信。他们低级的原因在与：① 效率低 ② 通信对与用户不透明

在进程间要传递大量数据是，应当利用OS提供的的高级通信工具，目前，常见的高级通信机制可归为四类：共享存储器，管道通信系统，消息传递系统，客户机-服务机系统。

共享存储器

1. 概述

相互通信的进程间共享某些数据结构或者共享存储区，进程之间通过他们进行通信，据此把他们分为两种类型：基于共享数据结构，基于共享存储区。

2. 共享某些数据结构

在这种通信方式下，要就诸进程公用某些数据结构，借此来实现诸进程间的信息交换。数据结构的设置和同步处理都是由用户完成的吗，不透明，效率低，仅用于传递少量数据.

3. 共享存储区

这种通信方式下，进程向系统申请共享存储区的一个分区,并指定该分区的关键字，并将该分区连接到本进程对其进行写。另一进程可根据关键字将该分区连接到自己之上对其进行读写，通过同一分区的读写，实现两进程间的信息交换。

管道通信

1.概述

管道也称共享文件方式，基于文件系统，利用打开的共享文件连接两个相互通信的进程，文件作为缓冲传输介质。

管道就是用于连接读进程和写进程的共享文件，写进程想管道发送字符流。读进程从管道中接受字符流。

2. 管道机制必须提供的协调能力

互斥：当一个进程正在等待pipe进行读写操作时，另一个进程必须等待。
同步：当写进程把一定数量的数据写入pipe后，便去睡眠等待，直到读进程取走数据后，再把它唤醒。当读进程读到一空pipe时，也应睡眠等待，直至写进程将数据写入管道后，才将它唤醒。
对方是否存在：只有确定对方存在是，才能进行通信。

3. Linux中的无名管道

a.特点：

他是半双工 (即数据只能在一个方向上流动)，具有固定的写端和读端
它只能用于具有亲缘关系(父子进程或者兄弟进程)的进程之间的通信
它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中

b.原型:

int pipe(int fd[2]); //// 返回值：若成功返回0，失败返回-1
当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图：

关闭管道只需要关闭两个文件描述符即可。

c.例子

如果想要数据从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0])于子进程的写端反之可以使数据从子进程流向父进程

4. Linux中的命名管道(FIFO)

a.特点：

FIFO可以在无关进程直接交换数据
FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统。

b.原型：

int mkfifo( const char * pathname,mode_t mode);//成功返回0，出错返回-1
其中的mode参数与open函数中的mode相同。一但创建一个FIFO，就可以用一般文件的I/O函数操作它。
如果open一个FIFO时，没有指定O_NONBLOCK（默认），只读open要阻塞到某个其他进程为写打开次FIFO，类似的，只写open要阻塞到其他进程为读而打开它。
如果open一个FIFO时，指定了O_NONELOCK，则只读open立即返回。而只写open将出错返回-1。如果没有进程为读而打开该FIFO，其errno置ENXIO。

c.例子
FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程：
write_fifo.c

read_fifo.c

消息传递机制

1. 概述

在该机制中，以格式化的消息（message）为通信单位；利用系统为进程提供的两个高级通信原语send和received进行通信，隐藏着通讯的实现细节，对用户是透明的，使用非常方便，是使用最广泛的进程通信机制。

send: 但要进行消息传递时，执行send
receive：当接收者要接收消息是执行receive。

根据实现方式不同，可进一步将他们分为两种：

直接通信方式：是指发送进程利用OS提供的发送原语，直接把消息发送给目标进程
间接通信方式：是指发送和接收进程，都通过共享中间实体(邮箱)的方式进行消息的发送和接收，完成进程间的通信。

2.直接消息传递系统的实现方式

a.直接通信原语
直接信息传递系统分为两种。

        对称寻址方式，这种方式下，发送进程和进程都要求以显式方式提供对方的的标识符，通常，系统提供的原语如下
        send（receiver, message);发送一个消息给接受进程
        receive(sender,message)；接受发送进程的消息

        非对称寻址方式,这种方式中，接受进程的原语中，并不需要命名发送进程。只填写表示源进程参数。原语如下:
        send(P,message);
        recrive(id,message);

b.消息的格式
消息的格式常用的就是较短的定长消息格式，和较长的可变的消息格式。定长的消息格式处理简单，存储空间开销少。可变的消息格式方便用户的使用，但是处理和存储空间需要更多的更大的开销.。

c.通路链路
为了在发送进程和接受进程自己能进行通信，必须在两者之间建立一条通信链路。

有两种方式建立通信链路:
第一种:由发送进程在通信之前用显示的”通信连接”命令请求系统为之建立一条通信链路。在链路使用完后拆除链路。(主要用于计算机网络)
第二种:发送进程无需明确提出建立链路的请求，只需要利用系统提供的发送命令原因，系统会自动为之建立一条链路。

3.信箱通信的实现方式

信箱通信属于间接的通信方式,即进程之间的通信，通过某种实体来完成。接受进程可以从该实体中取出发送进程的消息，通常我们把这份实体成为信箱(邮箱)，每一个信箱都有唯一一个标识符。

a.信箱的结构
信箱定义为一种数据结构，通常从逻辑上分为两部分。

信息头：存放有关信箱的描述信息，如信箱标识符，信箱的拥有者，信箱的口令，信箱的空格数。
信箱体：由若干个可以存放消息(或者消息头)的信箱个。

b.信箱通信原语
系统为信箱通信提供了若干个原语:

信箱的创建和取消。进程可以利用信箱创建原语来建立一个新信箱，创建者进程应该给出信箱的名字，信箱的属性；对于共享信箱还应该给出共享者。当进程不再需要信箱时，可以利用撤销原语撤销。

        消息的发送和接受
        send(mainbox,message); //将一个信息发送到指定的信箱中
        receive(mainbox,message)；//从指定的信箱中取出信息

c.信箱的类型
信箱可由操作系统创建，也可以由用户进程创建，创建者是信箱的拥有者。据此，可以将信箱分为以下三类:

私用信箱.用户进程为自己创建一个新信箱，并作为该进程的一部分，信箱的拥有者有权从信箱中读取消息，其他用户则只能将自己构建的信息发送到该信箱。当拥有该信箱的进程结束时，信箱也将消失。
公用信箱。由操作系统创建，并提供给系统中所以核准进程使用，核准进程既可以把信息发送到该信箱中，也可以从信箱中读取发送给自己的信息。
共享信箱。由某进程创建，在创建时指明它可以共享的。同时指出共享者的名字。邮箱的拥有者和共享者都可以从信箱中取走发送给自己的信息

4.直接消息传递系统实例

a.数据结构
在消息缓冲队列通信方式中，主要利用的数据结构是消息缓冲区
描述如下：