进程间的通信

Posted 2021-06-11 白小白2020

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。

1. 管道

1.1 匿名管道

$ ps auxf | grep mysql

上面命令行里的「|」竖线就是一个管道，它的功能是将前一个命令（ps auxf）的输出，作为后一个命令（grep mysql）的输入，从这功能描述，可以看出管道传输数据是单向的，如果想相互通信，我们需要创建两个管道才行。

同时，我们得知上面这种管道是没有名字，所以「|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁。

注意： 匿名管道是只能用于存在父子关系的进程间通信

1.2 命名管道

管道还有另外一个类型是命名管道，也被叫做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。

在使用命名管道前，先需要通过 mkfifo 命令来创建，并且指定管道名字：

$ mkfifo myPipe

myPipe 就是这个管道的名称，基于 Linux 一切皆文件的理念，所以管道也是以文件的方式存在，我们可以用 ls 看一下，这个文件的类型是 p，也就是 pipe（管道） 的意思：

$ ls -l
prw-r--r--  1 root root       0 Jun  8 20:08 myPipe

接下来，我们往 myPipe这个管道写入数据：

$ echo "hello" > myPipe  // 将数据写进管道
                         // 停住了 ...

你操作了后，你会发现命令执行后就停在这了，这是因为管道里的内容没有被读取，只有当管道里的数据被读完后，命令才可以正常退出。

于是，我们执行另外一个命令来读取这个管道里的数据：

$ cat < myPipe  // 读取管道里的数据
hello

可以看到，管道里的内容被读取出来了，并打印在了终端上，另外一方面，echo 那个命令也正常退出了。

我们可以看出，管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。当然，它的好处，自然就是简单，同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。

1.3 匿名管道创建

匿名管道的创建，需要通过下面这个系统调用：

int pipe(int fd[2])

这里表示创建一个匿名管道，并返回了两个描述符，一个是管道的读取端描述符 fd[0]，另一个是管道的写入端描述符 fd[1]。注意，这个匿名管道是特殊的文件，只存在于内存，不存于文件系统中。

其实，所谓的管道，就是内核里面的一串缓存。从管道的一段写入的数据，实际上是缓存在内核中的，另一端读取，也就是从内核中读取这段数据。另外，管道传输的数据是无格式的流且大小受限。

看到这，你可能会有疑问了，这两个描述符都是在一个进程里面，并没有起到进程间通信的作用，怎么样才能使得管道是跨过两个进程的呢？

我们可以使用 fork 创建子进程，创建的子进程会复制父进程的文件描述符，这样就做到了两个进程各有两个「 fd[0] 与 fd[1]」，两个进程就可以通过各自的fd 写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了。

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。

2.1 创建

消息队列是保存在内核中的消息链表，在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定大小的存储块，不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体，内核就会把这个消息体删除。

2.2 销毁

消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会一直存在。

2.3 缺点

• 消息队列不适合比较大数据的传输，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。

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。那共享内存的方式，就很好的解决了这一问题。

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

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。为了防止该问题的发生引入信号量。

信号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。

4.1 实现

进程间的信号量和线程间的信号量实现类似, 信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：

• 一个是P 操作，这个操作会把信号量减去 -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。
• 另一个是V 操作，这个操作会把信号量加上 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；

4.2 应用

4.2.1 互斥

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，这就很好的保护了共享内存。

    进程A            进程B

    P操作            P操作
      |               |
   共享内存         共享内存
      |               |
    V操作            V操作
     

4.2.2 同步

信号量初始化为 0, 就可以用信号量来实现多进程同步的方式。

5. 信号

上面说的进程间通信，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,信号和信号量虽然名字相似但是是完全不同的两个概念。

5.1 Linux系统中可以使用kill -l命令查看所有信号。

5.2 信号的来源

运行在 shell 终端的进程，我们可以通过键盘输入某些组合键的时候，给进程发送信号。例如

• Ctrl+Z 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

如果进程在后台运行，可以通过 kill 命令的方式给进程发送信号，但前提需要知道运行中的进程 PID 号，例如：

• kill -9 1050 ，表示给 PID 为 1050 的进程发送 SIGKILL 信号，用来立即结束该进程

所以，信号事件的来源主要有硬件来源（如键盘 Cltr+C ）和软件来源（如 kill 命令）。

5.3 信号的处理

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，因为可以在任何时候发送信号给某一进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式。

1. 执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。Core 的意思是 Core Dump，也即终止进程后，通过 Core Dump 将当前进程的运行状态保存在文件里面，方便程序员事后进行分析问题在哪里。

2. 捕捉信号。我们可以为信号定义一个信号处理函数。当信号发生时，我们就执行相应的信号处理函数。

3. 忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程。

6. socket

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。

实际上，Socket 通信不仅可以跨网络与不同主机的进程间通信，还可以在同主机上进程间通信。

6.1 socket同一主机间进程通信

SOCK_STREAM 式本地套接字的通信双方均需要具有本地地址，其中服务器端的本地地址需要明确指定，指定方法是使用 struct sockaddr_un 类型的变量。

struct sockaddr_un {
  sa_family_t   sun_family;   /* AF_UNIX */
  char  sun_path[UNIX_PATH_MAX];    /* 路径名 */
};

这里面有一个很关键的东西，socket进程通信命名方式有两种。

• 一是普通的命名，socket会根据此命名创建一个同名的socket文件，客户端连接的时候通过读取该socket文件连接到socket服务端。这种方式的弊端是服务端必须对socket文件的路径具备写权限，客户端必须知道socket文件路径，且必须对该路径有读权限。

• 另外一种命名方式是抽象命名空间，这种方式不需要创建socket文件，只需要命名一个全局名字，即可让客户端根据此名字进行连接。后者的实现过程与前者的差别是，后者在对地址结构成员sun_path数组赋值的时候，必须把第一个字节置0，即sun_path[0] = 0，下面用代码说明：

第一种方式：

  // name the server socket 
	server_addr.sun_family = AF_UNIX;
	strcpy(server_addr.sun_path,"/tmp/UNIX.domain");
	server_len = sizeof(struct sockaddr_un);
	client_len = server_len;

第二种方式：

#define SERVER_NAME @socket_server 
  // name the socket 
  server_addr.sun_family = AF_UNIX; 
  strcpy(server_addr.sun_path, SERVER_NAME); 
  server_addr.sun_path[0]=0; 
  // server_len = sizeof(server_addr); 
  server_len = strlen(SERVER_NAME) + offsetof(struct sockaddr_un, sun_path);

其中，offsetof函数在#include <stddef.h>头文件中定义。因第二种方式的首字节置0，我们可以在命名字符串SERVER_NAME前添加一个占位字符串，例如:

#define SERVER_NAME @socket_server  

前面的@符号就表示占位符，不算为实际名称。

提示：客户端连接服务器的时候，必须与服务端的命名方式相同，即如果服务端是普通命名方式，客户端的地址也必须是普通命名方式；如果服务端是抽象命名方式，客户端的地址也必须是抽象命名方式。

6.1.1 服务端

//s_unix.c 
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <sys/un.h>  
#define UNIX_DOMAIN "/tmp/UNIX.domain" 
int main(void) 
{ 
  socklen_t clt_addr_len; 
  int listen_fd; 
  int com_fd; 
  int ret; 
  int i; 
  static char recv_buf[1024];  
  int len; 
  struct sockaddr_un clt_addr; 
  struct sockaddr_un srv_addr; 
  listen_fd=socket(PF_UNIX,SOCK_STREAM,0); 
  if(listen_fd<0) 
  { 
    perror("cannot create communication socket"); 
    return 1; 
  }  
  // set server addr_param 
  srv_addr.sun_family=AF_UNIX; 
  strncpy(srv_addr.sun_path,UNIX_DOMAIN,sizeof(srv_addr.sun_path)-1); 
  unlink(UNIX_DOMAIN); 
  // bind sockfd & addr 
  ret=bind(listen_fd,(struct sockaddr*)&srv_addr,sizeof(srv_addr)); 
  if(ret==-1) 
  { 
    perror("cannot bind server socket"); 
    close(listen_fd); 
    unlink(UNIX_DOMAIN); 
    return 1; 
  } 
  // listen sockfd  
  ret=listen(listen_fd,1); 
  if(ret==-1) 
  { 
    perror("cannot listen the client connect request"); 
    close(listen_fd); 
    unlink(UNIX_DOMAIN); 
    return 1; 
  } 
  // have connect request use accept 
  len=sizeof(clt_addr); 
  com_fd=accept(listen_fd,(struct sockaddr*)&clt_addr,&len); 
  if(com_fd<0) 
  { 
    perror("cannot accept client connect request"); 
    close(listen_fd); 
    unlink(UNIX_DOMAIN); 
    return 1; 
  } 
  // read and printf sent client info 
  printf("/n=====info=====/n"); 
  for(i=0;i<4;i++) 
  { 
    memset(recv_buf,0,1024); 
    int num=read(com_fd,recv_buf,sizeof(recv_buf)); 
    printf("Message from client (%d)) :%s/n",num,recv_buf);  
  } 
  close(com_fd); 
  close(listen_fd); 
  unlink(UNIX_DOMAIN); 
  return 0; 
} 

6.1.2 客户端

//c_unix.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#define UNIX_DOMAIN "/tmp/UNIX.domain"
int main(void)
{
  int connect_fd;
  int ret;
  char snd_buf[1024];
  int i;
  static struct sockaddr_un srv_addr;
  // creat unix socket
  connect_fd=socket(PF_UNIX,SOCK_STREAM,0);
  if(connect_fd<0)
  {
    perror("cannot create communication socket");
    return 1;
  }  
  srv_addr.sun_family=AF_UNIX;
  strcpy(srv_addr.sun_path,UNIX_DOMAIN);
  // connect server
  ret=connect(connect_fd,(struct sockaddr*)&srv_addr,sizeof(srv_addr));
  if(ret==-1)
  {
    perror("cannot connect to the server");
    close(connect_fd);
    return 1;
  }
  memset(snd_buf,0,1024);
  strcpy(snd_buf,"message from client");
  // send info server
  for(i=0;i<4;i++)
    write(connect_fd,snd_buf,sizeof(snd_buf));
  close(connect_fd);
  return 0;
}

6.2 socket不同主机间进程通信

SOCK_STREAM 式非本地套接字的通信双方均需要具有IP和端口号，其中服务器端的本地地址需要明确指定，指定方法是使用 struct sockaddr_in 类型的变量。

/* Structure describing an Internet socket address.  */
struct sockaddr_in                                                                       
{                
  __SOCKADDR_COMMON (sin_);
  in_port_t sin_port;     /* Port number.  */
  struct in_addr sin_addr;    /* Internet address.  */
  /* Pad to size of `struct sockaddr\'.  */
  unsigned char sin_zero[sizeof (struct sockaddr) -
  __SOCKADDR_COMMON_SIZE -
  sizeof (in_port_t) -
  sizeof (struct in_addr)];
};  

参考连接

1. Linux进程间通信方式之socket使用实例

2. 小林图解系统

3. 操作系统导论