Linux 进程间通信方式和原理

进程间的通信方式

进程的概念

进程时操作系统的概念，每当我们执行一个程序时，对于操作系统来讲究创建了一个进程，在这个过程中，伴随着资源的分配和释放。可以认为进程时是一个程序的一次执行过程。

进程通信的概念

进程用户空间是相互独立的，一般而言是不能相互访问的。但很多情况下进程间需要相互通信，来完成系统的某项功能。进程通过与内核及其他进程之间的互相通信来协调它们的行为

进程通信的应用场景

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，发送的数据量在一个字节到几兆字节之间。
共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。
通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供锁和同步机制。
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行，此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

进程通信的方式

管道（pipe）

普通管道：通常有两种限制，一是单向传输，二是智能在父子或者兄弟进程间使用。
流管道：去除了第一种限制，为半双工，只能在父子或兄弟进程间使用，可以双向传输。
命令管道：去除了第二种限制，可以在许多并不相关的进程之间进行通信。

信息量（somephore）

信息量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

消息队列（message queue）

消息队列是由信息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列客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。

信号 (signal)

消息是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

共享内存（shared memory）

共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这种共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的IPC方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

套接字（socket）

套接字也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同进程间的进程通信。

各进程间通信的原理及实现

管道

管道是如何通信的

管道是由内核管理的一个缓冲区，相当对我们放入内存的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出，一端连接另一个进程的输入。这两个进程分别一个往管道放入信息，另一个取出信息。

一个缓冲区不需要很大，它被设计成环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都中介的时候，管道也自动消失。

Proecess1 -> Pipe -> Process2

在这里插入图片描述

管道是如何创建的

从原理上，管道利用fork机制建立，从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process1上。当fork复制进程的时候，会将两个连接也复制到新的进程（Process2）。随后，每个进程关闭自己不需要自己一个连接，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE。

在这里插入图片描述

管道通信的实现细节
在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点，而这个 VFS 索引节点又指向一个物理页面而实现的。如下图

有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作例程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。

关于管道的读写

管道实现的源代码在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函数，其中有两个函数比较重要，即管道读函数pipe_read()和管道写函数pipe_wrtie()。管道写函数通过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则通过复制物理内存中的字节而读出数据。当然，内核必须利用一定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。

当写进程向管道中写入时，它利用标准的库函数write()，系统根据库函数传递的文件描述符，可找到该文件的 file 结构。file 结构中指定了用来进行写操作的函数（即写入函数）地址，于是，内核调用该函数完成写操作。写入函数在向内存中写入数据之前，必须首先检查 VFS 索引节点中的信息，同时满足如下条件时，才能进行实际的内存复制工作：

内存中有足够的空间可容纳所有要写入的数据；
内存没有被读程序锁定。
如果同时满足上述条件，写入函数首先锁定内存，然后从写进程的地址空间中复制数据到内存。否则，写入进程就休眠在 VFS 索引节点的等待队列中，接下来，内核将调用调度程序，而调度程序会选择其他进程运行。写入进程实际处于可中断的等待状态，当内存中有足够的空间可以容纳写入数据，或内存被解锁时，读取进程会唤醒写入进程，这时，写入进程将接收到信号。当数据写入内存之后，内存被解锁，而所有休眠在索引节点的读取进程会被唤醒。

管道的读取过程和写入过程类似。但是，进程可以在没有数据或内存被锁定时立即返回错误信息，而不是阻塞该进程，这依赖于文件或管道的打开模式。反之，进程可以休眠在索引节点的等待队列中等待写入进程写入数据。当所有的进程完成了管道操作之后，管道的索引节点被丢弃，而共享数据页也被释放。

信号量

什么是信号量

为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法。比如在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。

信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。最简单的信号量是只能取0和1的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二进制信号量。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。

信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：