總結(jié)Linux進(jìn)程間通信的幾種方式

在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程間通信(Inter-Process Communication，IPC)是不同進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和同步的一種機(jī)制

為什么需要進(jìn)程間通信

進(jìn)程間通信(IPC)是由于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程可能同時(shí)運(yùn)行，而這些進(jìn)程可能需要共享信息、協(xié)同工作或者進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,以下是一些常見的原因，解釋了為什么需要進(jìn)程間通信：

(1)資源共享： 進(jìn)程間通信允許多個(gè)進(jìn)程共享系統(tǒng)資源，如文件、設(shè)備、內(nèi)存等。這種共享資源的方式使得系統(tǒng)可以更高效地利用資源，避免了每個(gè)進(jìn)程都維護(hù)一份獨(dú)立的資源拷貝;

(2)并發(fā)執(zhí)行： 在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程可能同時(shí)運(yùn)行。通過進(jìn)程間通信，這些進(jìn)程可以同步執(zhí)行，共享信息，以便更好地協(xié)調(diào)工作。

(3)模塊化設(shè)計(jì)： 大型軟件系統(tǒng)通常被分解成多個(gè)模塊或組件。這些模塊可能運(yùn)行在獨(dú)立的進(jìn)程中，通過IPC進(jìn)行通信，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更具模塊化和可維護(hù)性。

(4)數(shù)據(jù)傳遞： 進(jìn)程間通信提供了一種機(jī)制，允許進(jìn)程之間傳遞數(shù)據(jù)，從而使得它們能夠相互交流和共享信息。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信等場(chǎng)景是至關(guān)重要的。

一、進(jìn)程間通信的目的

數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程，發(fā)送的數(shù)據(jù)量在一個(gè)字節(jié)到幾M字節(jié)之間

共享數(shù)據(jù)：多個(gè)進(jìn)程要操作共享數(shù)據(jù)，一個(gè)進(jìn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)

信息傳遞：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送消息，通知它發(fā)生了某種事件。

資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的數(shù)據(jù)。為了做到這一點(diǎn)，需要內(nèi)核提供鎖和同步機(jī)制。

進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行，此時(shí)控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個(gè)進(jìn)程的所有陷入和異常，病能夠及時(shí)知道它的狀態(tài)改變

二、進(jìn)程間通信的概念

每個(gè)進(jìn)程各自有不同的用戶地址空間，任何一個(gè)進(jìn)程的變量在另一個(gè)進(jìn)程中都是看不到的，所以進(jìn)程之間要交換數(shù)據(jù)必須通過內(nèi)核，在內(nèi)核中開辟出一塊緩沖區(qū)。一個(gè)進(jìn)程把自己的數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，另一個(gè)進(jìn)程再?gòu)膬?nèi)核緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走。內(nèi)核提供的這種機(jī)制稱為進(jìn)程間通信(IPC,Inter Process Communication)

三、進(jìn)程間通信方式

Linux進(jìn)程間基本的通信方式主要有：管道(pipe)(包括匿名管道和命名管道)、信號(hào)(signal)、消息隊(duì)列(queue)、共享內(nèi)存、信號(hào)量和套接字。

下面逐漸介紹這幾種方式：

1.管道：管道的實(shí)質(zhì)是一個(gè)內(nèi)核緩沖區(qū)，管道的作用正如其名，需要通信的兩個(gè)進(jìn)程在管道的兩端，進(jìn)程利用管道傳遞信息。管道對(duì)于管道兩端的進(jìn)程而言，就是一個(gè)文件，但是這個(gè)文件比較特殊，它不屬于文件系統(tǒng)并且只存在于內(nèi)存中。

管道依據(jù)是否有名字分為匿名管道和命名管道(有名管道)，這兩種管道有一定的區(qū)別。

匿名管道有幾個(gè)重要的限制：

管道是半雙工的，數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向上流動(dòng)，A進(jìn)程傳給B進(jìn)程，不能反向傳遞

管道只能用于父子進(jìn)程或兄弟進(jìn)程之間的通信，即具有親緣關(guān)系的進(jìn)程。

命名管道允許沒有親緣關(guān)系的進(jìn)程進(jìn)行通信。命名管道不同于匿名管道之處在于它提供了一個(gè)路徑名與之關(guān)聯(lián)，這樣一個(gè)進(jìn)程即使與創(chuàng)建有名管道的進(jìn)程不存在親緣關(guān)系，只要可以訪問該路徑，就能通過有名管道互相通信。

2.信號(hào)：信號(hào)是軟件層次上對(duì)中斷機(jī)制的一種模擬，是一種異步通信方式，進(jìn)程不必通過任何操作來等待信號(hào)的到達(dá)。信號(hào)可以在用戶空間進(jìn)程和內(nèi)核之間直接交互，內(nèi)核可以利用信號(hào)來通知用戶空間的進(jìn)程發(fā)生了哪些系統(tǒng)事件。

信號(hào)來源：

信號(hào)事件的發(fā)生有兩個(gè)來源：硬件來源，比如我們按下了鍵盤或者其它硬件故障;軟件來源，最常用發(fā)送信號(hào)的系統(tǒng)函數(shù)是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函數(shù)，軟件來源還包括一些非法運(yùn)算等操作。

進(jìn)程對(duì)信號(hào)的響應(yīng)：

進(jìn)程可以通過三種方式來響應(yīng)信號(hào)：(1)忽略信號(hào)，即對(duì)信號(hào)不做任何處理，但是有兩個(gè)信號(hào)是不能忽略的：SIGKLL和SIGSTOP;(2)捕捉信號(hào)，定義信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù);(3)執(zhí)行缺省操作，Linux對(duì)每種信號(hào)都規(guī)定了默認(rèn)操作。

3.消息隊(duì)列：消息隊(duì)列是消息的鏈表,具有特定的格式,存放在內(nèi)存中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)，并且允許一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程向它寫入與讀取消息

4.共享內(nèi)存：使得多個(gè)進(jìn)程可以可以直接讀寫同一塊內(nèi)存空間，是針對(duì)其他通信機(jī)制運(yùn)行效率較低而設(shè)計(jì)的。

為了在多個(gè)進(jìn)程間交換信息，內(nèi)核專門留出了一塊內(nèi)存區(qū)，可以由需要訪問的進(jìn)程將其映射到自己的私有地址空間。進(jìn)程就可以直接讀寫這一塊內(nèi)存而不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的拷貝，從而大大提高效率。

需要注意的是：共享內(nèi)存并未提供同步機(jī)制，在一個(gè)進(jìn)程結(jié)束對(duì)共享內(nèi)存的寫操作之前，并無自動(dòng)機(jī)制可以阻止另一個(gè)進(jìn)程開始對(duì)它進(jìn)行讀取。所以，我們通常需要用其他的機(jī)制來同步對(duì)共享內(nèi)存的訪問。

5.信號(hào)量：信號(hào)量實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)標(biāo)識(shí)可用資源數(shù)量的計(jì)數(shù)器，它的值總是非負(fù)整數(shù)。而只有0和1兩種取值的信號(hào)量叫做二進(jìn)制信號(hào)量(或二值信號(hào)量)，可用用來標(biāo)識(shí)某個(gè)資源是否可用。

6.套接字：套接字是更為基礎(chǔ)的進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他方式不同的是，套接字可用于不同機(jī)器之間的進(jìn)程間通信。

有兩種類型的套接字：基于文件的和面向網(wǎng)絡(luò)的。

(1).Unix套接字是基于文件的，并且擁有一個(gè)“家族名字”--AF_UNIX，它代表地址家族(address family)：UNIX。

(2).第二類型的套接字是基于網(wǎng)絡(luò)的，它也有自己的家族名字--AF_INET，代表地址家族(address family):INTERNET

不管采用哪種地址家族，都有兩種不同的套接字連接：面向連接的和無連接的。

(1)面向連接的套接字(SOCK_STREAM)：進(jìn)行通信前必須建立一個(gè)連接，面向連接的通信提供序列化的、可靠地和不重復(fù)的數(shù)據(jù)交付，而沒有記錄邊界。

這意味著每條信息可以被拆分成多個(gè)片段，并且每個(gè)片段都能確保到達(dá)目的地，然后在目的地將信息拼接起來。

實(shí)現(xiàn)這種連接類型的主要協(xié)議是傳輸控制協(xié)議(TCP)。

(2)無連接的套接字(SOCK_DGRAM)：在通信開始之前并不需要建立連接，在數(shù)據(jù)傳輸過程中并無法保證它的順序性、可靠性或重復(fù)性。