Linux 进程间通信

Posted 2021-01-04 王的博客

进程间通信的目的

1. 数据交换
2. 状态同步
3. 事件通知
4. 资源共享
5. 进程控制

一般来将进程之间的通信根据内容可以划分为两种，一种是传输控制信息，另一种是传输大量的数据。一般控制信息只有一个或几个字节，用来达到进程控制操作的高速执行（比如利用信号量实现进程同步）;大量数据的传输一般用于进程之间信息的交换（CS架构中，客户端和服务器之间大量数据的交互）[4]。

发展过程

Linux中进程间通信（IPC）是从Unix中衍生过来的，最初的Unix具备管道、FIFO、信号，后来经过贝尔实验室和BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）的拓展形成了现在的进程通信基础。

贝尔实验室对早期的Unix进程通信方式进行了拓展，形成了“System V IPC”, 通信局限于单个计算机内；BSD打破了该限制，形成了基于套接字的进程间通信机制。而Linux将两者间的特色都继承了下来，同时它还兼容POSIX IPC标准（目前POSIX标准更加通用一些）。

通信方式

• 管道
• 信号
• 消息队列
• 信号量
• 共享内存
• 套接字

管道(Pipe)

管道是Unix对操作系统的贡献之一，它是一个环形缓冲区，允许两个进程之间以生产者/消费者的模式进行通讯，是一个先进先出的队列[2]。

管道是一种半双工的通信方式（消息只能单向传输)。数据传输方式似于流式传输，不提供随机访问，进程之间要约定一套数据协议来解析传输的数据[5]。数据由操作系统缓冲，直到接收方从中读取[1]，它可以像文件描述符一样去通过select，poll和epoll函数去监听。

管道在建立过程中需要双方进行协同操作（有些API中打开管道过程中会阻塞，直到双方都执行了打开操作），不能独立于进程而存在。

管道分为匿名管道和命名管道（Named Pipe）:匿名管道只有亲缘关系的进程（父进程与子进程之间，或子进程与子进程之间）可以共享;没有亲缘关系的进程之间只能通过命名管道通信。

FIFO（first-in first-out special file, named pipe）在Linux中属于一种命名管道。通过绑定文件系统中指定文件来代替标准的输入输出[1]，允许多个进程访问。

Unix中对管道自动采取互斥保护措施，每次只有一个进程能访问管道[2]。

信号（signal）

信号是用于向一个进程通知某种事件的发生。除了进程间通信外还可以发送给进程本身。因为无法利用信号传输数据，所以信号主要用于进程管理上。

Unix中内核平等的对待所有的信号，对于同时发生的信号，一次只给进程一个信号，而没有特定的顺序。进程间可以互相发送信号，内核在内部也可能发送信号[2]。

我们经常使用的 Ctrl+C 就是发送一个退出的信号给某一进程。

消息（Message）队列

消息队列的功能类似于信箱，它也可以在没有亲缘关系的进程之间去使用，在双方没有直接连接的情况下进行通信[1]。消息队列是直接面对消息的，消息的发送者指定发送的消息的类型和大小，消息的接收者指定消息接收的方式（先进先出的规则或指定的消息类型）。

克服了信号承载信息量少和管道只能承载无格式字节流的缺点，可以实现进程之间多对一的通信（C/S模式）。即使是接收者没有打开消息队列，发送者仍然可以打开队列发送消息而不阻塞，不需要额外的同步操作，可以避免管道中的打开和读写阻塞问题。

消息队列中存储的消息数量是有上限的，同时每一条消息的大小也是有上限的。

共享内存

多个进程将同一个共享的内存段映射到自己的进程资源中，向同一段内存中读写数据来进行数据交互，是进程之间通信速度最快的一种方式，经常与其他通信机制(信号量)混合使用来达到进程间通信的目的[5]。

Pipe和FIFO以及消息队列在交互信息的时候都需要通过内核拷贝的方式--将数据从发送方拷贝到内核缓存，再从内核缓存中拷贝到接收方[6]，一次通信要COPY两次。而共享内存则不需要通过内核拷贝，所以速度上要比Pipe、FIFO和消息队列快一些。

共享内存通常会在实时性要求比较高的业务情况下使用，比如金融系统中，但涉及到分布式的服务，经常需要跨主机的情况共享内存不太适合。

套接字（Socket）

常用于跨主机的进程通信，由BSD最早提供，后来被linux所吸收。它有通过网络端口跨主机通信的TCP/IP socket（面向流数据）和UDP socket（面向消息），也有UNIX domain socket这种只能在本地使用的类型。

Unix domain socket 类似于TCP/IP互联网套接字，但所有通信都在内核中进行,使用文件系统作为其地址空间。进程做为inode来使用一个Unix domain socket，并且多个进程可以与同一个套接字进行通信（docker服务监听本地请求就是通过Unix domain socket）[1]。

进程之间可以使用socket进行双向通信。

信号量

用于不同进程之间，或者同一进程中不同线程之间同步的通信机制。采用PV原语来实现。

参考链接

• [1] https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inter-process_communication&oldid=833805357

• [2] 《操作系统与精髓》 6.7 Unix的并发机制

• [3] https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/index.html

• [4] 《计算机操作系统教程》 清华版 第3版 张尧学 3.7 进程间通信

• [5] https://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-spunix_sharedmemory/

• [6] http://www.kohala.com/start/unpv22e/unpv22e.chap12.pdf