网络通信与信息安全之深入解析进程之间的通信方式

Posted 2022-03-28 Serendipity·y

一、信号 Signal

• 信号是 Linux 系统响应某些条件而产生的一个事件，由操作系统事先定义，接收到该信号的进程可以采取自定义的行为，这是一种“订阅-发布”的模式。
• 信号来源分为硬件来源和软件来源：
• • 硬件来源：如按下 CTRL+C、除 0、非法内存访问等；
• • 软件来源：如 Kill 命令、Alarm Clock 超时，当 Reader 中止之后又向管道写数据等。
• 如下所示，Linux 系统上支持的 30 种不同类型的信号：

• 一般的信号是都是由一个错误产生的。以除 0 为例，在 x86 机器上 DIV 或 IDIV 指令除数为 0 时，会引发 0 号中断，编号 #DE(Divide Error)，即所谓除零异常。这是一个硬件级中断，会导致陷入内核，执行操作系统预定义在 IDT 中的中断处理程序，而操作系统处理这个异常的方法，就是向进程发送一个信号 SIGFPE。如果进程设置相应的 signal handler，就执行进程的处理方法。否则，执行操作系统的默认操作，一般这种信号的默认操作是杀死进程。
• 同理，溢出、非法内存访问（越界）、非法指令等也都属于硬件中断，由操作系统处理。操作系统会将这些硬件异常包装成“信号”发送给进程。如果进程不处理这几个异常信号，那么默认的行为就是挂掉。
• 但是，信号也可以作为进程间通信的一种方式，明确地由一个进程发送给另一个进程。
• 进程如何发送信号？
• • 操作系统提供发送信号的系统调用；
• • 该系统调用会将信号放到目标进程的信号队列中；
• • 如果目标进程未处于执行状态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程恢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，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。
• 进程如何接收信号？
• • 每个进程有一个信号队列，放其它进程发给它、等待它处理的信号；
• • 进程在执行过程中的特定时刻，检查并处理自己的信号队列，如从系统空间返回到用户空间之前；
• • 发送信号时，必须指明发送目标进程的号码。一般用在具有亲缘关系的进程之间。
• 用户进程对信号的处理过程有三种：
• • 处理信号：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数；
• • 忽略信号：当不希望接收到的信号对进程的执行产生影响，而让进程继续执行时，可以忽略该信号，即不对信号进程作任何处理；
• • 不处理也不忽略：执行默认操作，linux 对每种信号都规定了默认操作；
• 有的信号，用户进程是无法处理也无法忽略的，比如 SIGSTOP、SIGKILL 等。信号处理程序是一个用户层函数，进程可以为某个信号指定一个信号处理程序，接收到信号后，进程会跳转执行信号处理程序，执行完成后再返回到中断位置的下一条指令继续执行：

二、管道 Pipe

• 管道命令，在 Linux Shell 中经常使用，一般使用管道操作符 | 来表示两个命令之间的数据通信。比如：

ps -ef | grep java | xargs echo

• 管道操作符的内部实现其实就是 Linux 的管道接口，由管道操作符 | 分割的每个命令是独立的进程，各个进程的标准输出 STDOUT，会作为下一个进程的标准输入 STDIN。

① 定义

• 管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，上游进程往管道中写入数据，下游进程从管道中接收数据。如果想实现双方通信，那么需要建立两个管道。
• 管道适合于传输大量信息。管道发送的内容是以字节为单位的，没有格式的字节流。

② 创建管道

• 通过 pipe() 系统调用来创建并打开一个管道，当最后一个使用它的进程关闭对他的引用时，pipe 将自动撤销。
• 通过 pipe() 创建的是匿名管道，只能用于具有亲缘关系的进程之间（父子进程或兄弟进程）。

③ 管道的实现

• 管道就是一个文件，是一种只存在于内存中的特殊的文件系统。
• 在 Linux 中，管道借助文件系统的 File 结构实现，父进程使用 File 结构保存向管道写入数据的例程地址，子进程保存从管道读出数据的例程地址，这解释了上文所说的：
• • 单向流动；
• • 只能用于具有亲缘关系的进程之间。
• 管道是由内核管理的一个缓冲区，缓冲区被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用（循环队列）。

④ 管道的同步

• 管道是一个具有特定大小的缓冲区：
• • 操作系统会保证读写进程的同步；
• • 下游进程或者上游进程需要等另一方释放锁后才能操作管道，管道就相当于一个文件，同一时刻只能有一个进程访问；
• • 当管道为空时，下游进程读阻塞；当管道满时，上游进程写阻塞；
• • 管道不再被任何进程使用时，自动消失。

三、命名管道 FIFO

• Linux 管道包含匿名管道和命名管道，上文的匿名管道，只能用在亲缘进程中，管道文件信息保存在内存里。
• 命名管道（FIFO）可用于没有亲缘的进程间，Pipe 和 FIFO 除了建立、打开、删除的方式不同外，二者几乎一模一样。
• 通过 mknode() 系统调用或者 mkfifo() 函数建立命名管道，一旦建立，任何有访问权的进程都可以通过文件名将其打开和进行读写，而不局限于父子进程。
• 建立命名管道时，会在磁盘中创建一个索引节点，命名管道的名字就相当于索引节点的文件名。索引节点设置了进程的访问权限，但是没有数据块。
• 命名管道实质上也是通过内核缓冲区来实现数据传输，有访问权限的进程，可以通过磁盘的索引节点来读写这块缓冲区。
• 当不再被任何进程使用时，命名管道在内存中释放，但磁盘节点仍然存在。

四、信号量 Semaphore

• 信号量是一种特殊的变量，对它的操作都是原子的，有两种操作：V（signal()）和 P（wait()）。
• V 操作会增加信号量 S 的数值，P 操作会减少它：
• • V(S)：如果有其他进程因等待 S 而被挂起，就让它恢复运行，否则 S 加 1；
• • P(S)：如果 S 为 0，则挂起进程，否则 S 减 1；
• • P、V 来自于荷兰语：Probeer (try)、Verhoog (increment)。
• 如果信号量是一个任意的整数，通常被称为计数信号量（Counting semaphore），或一般信号量（general semaphore）；如果信号量只有二进制的 0 或 1，称为二进制信号量（binary semaphore）。在 Linux 系统中，二进制信号量又称互斥锁（Mutex），信号量可以用于实现进程或线程的互斥和同步。
• 信号量在底层的实现是通过硬件提供的原子指令，如 Test And Set、Compare And Swap 等。比如 golang 实现互斥量就是使用了 Compare And Swap 指令（go）。

五、共享内存 Shared Memory

• 共享内存顾名思义，允许两个或多个进程共享同一段物理内存，不同进程可以将同一段共享内存映射到自己的地址空间，然后像访问正常内存一样访问它，不同进程可以通过向共享内存端读写数据来交换信息。
• 一个进程可以通过操作系统的系统调用，创建一块共享内存区；其他进程通过系统调用把这段内存映射到自己的用户地址空间中；之后各个进程向读写正常内存一样，读写共享内存。共享内存区只会驻留在创建它的进程地址空间内。
• 共享内存的优点是简单且高效，访问共享内存区域和访问进程独有的内存区域一样快，原因是不需要系统调用，不涉及用户态到内核态的转换，也不需要对数据不必要的复制。
• 比如管道和消息队列，需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝（读输入文件、写到管道；读管道、写到输出文件），而共享内存则只拷贝两次：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存到输出文件。

• 此外，消息传递的实现经常采用系统调用，也就经常需要用户态和内核态互相转换；而共享内存只在建立共享内存区域时需要系统调用；一旦建立共享内存，所有访问都可作为常规内存访问，无需借助内核。
• 共享内存的缺点是存在并发问题，有可能出现多个进程修改同一块内存，因此共享内存一般与信号量结合使用。
• Linux 的 2.2.x 内核支持多种共享内存方式，如 mmap() 系统调用，Posix 共享内存，以及系统 V 共享内存；
• • mmap() 系统调用的主要作用是将普通文件映射到进程的地址空间，然后可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用 read()，write() 等操作；mmap() 不是专门用来共享内存的，但是多个进程可以通过 mmap() 映射同一个普通文件，来实现共享内存。

• • 系统 V 则是通过映射特殊文件系统 shm 中的文件实现进程间的共享内存，通过 shmget 可以创建或获得共享内存的标识符，取得共享内存标识符后，通过 shmat 将这个内存区映射到本进程的虚拟地址空间。
• 有关 mmap() 系统调用、系统 V 共享内存的详细介绍，以及两者的对比，可以参考：
• • Linux环境进程间通信 - 共享内存（上）；
• • Linux环境进程间通信 - 共享内存（下）。

六、消息队列 Message Queue

• 消息队列是一个消息的链表，保存在内核中。消息队列中的每个消息都是一个数据块，具有特定的格式。操作系统中可以存在多个消息队列，每个消息队列有唯一的 key，称为消息队列标识符。
• 消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。和信号相比，消息队列能够传递更多的信息。与管道相比，消息队列提供了有格式的数据，但消息队列仍然有大小限制。
• 消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息。消息的发送者和接收者不需要同时与消息队列交互。消息会保存在队列中，直到接收者取回它。也就是说，消息队列是异步的，但这也造成了一个缺点，就是接收者必须轮询消息队列，才能收到最近的消息。
• 操作系统提供创建消息队列、取消息、发消息等系统调用。操作系统负责读写同步：若消息队列已满，则写消息进程排队等待；若取消息进程没有找到需要的消息，则在等待队列中寻找。
• 消息队列和管道相比，相同点在于二者都是通过发送-接收的方式进行通信，并且数据都有最大长度限制。不同点在于消息队列的数据是有格式的，并且取消息进程可以选择接收特定类型的消息，而不是像管道中那样默认全部接收。

七、套接字 Socket

• 不同的计算机的进程之间通过 socket 通信，也可用于同一台计算机的不同进程。
• 需要通信的进程之间首先要各自创建一个 socket，内容包括主机地址与端口号，声明自己接收来自某端口地址的数据。
• 进程通过 socket 把消息发送到网络层中，网络层通过主机地址将其发到目的主机，目的主机通过端口号发给对应进程。
• 操作系统提供创建 socket、发送、接收的系统调用，为每个 socket 设置发送缓冲区、接收缓冲区。

八、总结

方式	传输的信息量	使用场景	关键词
信号	少量	任何	硬件来源、软件来源 / 信号队列
管道	大量	亲缘进程间	单向流动 / 内核缓冲区 / 循环队列 / 没有格式的字节流 / 操作系统负责同步
命名管道	大量	任何	磁盘文件 / 访问权限 / 无数据块 / 内核缓冲区 / 操作系统负责同步
信号量	N	任何	互斥同步 / 原子性 / P 减 V 增
共享内存	大量	多个进程	内存映射 / 简单快速 / 操作系统不保证同步
消息队列	比信号多，但有限制	任何	有格式 / 按消息类型过滤 / 操作系统负责同步
套接字	大量	不同主机的进程	读缓存区 / 写缓冲区 / 操作系统负责同步