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(lái)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(lái)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(lái)源:
信號(hào)事件的發(fā)生有兩個(gè)來(lái)源:硬件來(lái)源,比如我們按下了鍵盤或者其它硬件故障;軟件來(lái)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(lái)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)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(wú)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(lái)。
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(wú)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(wú)法保證它的順序性、可靠性或重復(fù)性。