进程间通信-IPC

本文主要介绍进程间通信（IPC，Inter Process Communication）的一些方式，包括：

• 管道（管道/匿名管道，命名管道/FIFO）
• 消息队列/报文队列
• 共享内存
• 信号量/信号灯
• 信号/软中断
• 套接字/socket

管道

包括管道（Pipe）与命名管道（named pipe）。

管道/匿名管道

管道（Pipe），也称匿名管道，是Linux下最常见的进程间通信的方式之一，它是在两个进程之间实现一个数据流通的通道。优点在于简单易用，缺点在于功能简单，有许多限制。

匿名管道在系统中是没有实名的，并不可以在文件系统中以任何方式看到该管道，它只是进程的一种资源，会随着进程的结束而被系统清除。

• 管道**没有名字**，所以也称为匿名管道
• 管道是**半双工**的，数据只能向一个方向流动。若要进行双向通信，需要建立两个管道
• 只能用于父子进程或兄弟进程等具有**亲缘关系之间的进程通信**
• 单独构成一种独立的文件系统。管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，并且只存在于内存中
• 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都**添加在管道缓冲的末尾**，并且每次都是**从缓冲区的头部读出**数据
• 管道的缓冲区是有限的（管道只存在于内存中，在创建管道时，为缓冲区分配一个页面大小）
• 管道传送的是无格式的字节流，因而读出方和写入方须事先约定好数据的格式，比如多少字节算做一个消息等

命名管道/FIFO

命名管道（named pipe）也称为FIFO，它是一种文件类型，在文件系统中可以看到它，创建一个FIFO文件类似于创建一个普通文件。

管道应用的一个最大限制在于它没有名字，因而只能用于具有亲缘概关系进程间的通信。而FIFO提供了一个路径名与之关联，以FIFO文件的形式存在于文件系统中，通过路径访问的方式，可以在不相关的进程间通信。

• 命名管道可用于**任何两个进程间的通信**，因而比管道使用灵活方便
• 命名管道作为一种特殊的文件**存放在系统文件中**，而不像管道那样存在于内存（使用完消失），除非对其进行删除操作，否则该命名管道不会消失
• FIFO的出现解决了系统在应用过程中产生的大量中间临时文件的问题，它可以被Shell调用使数据从一个进程到另一个进程，系统不必为该中间通道清理不必要的垃圾，或者释放该通道的资源，它可以被留作后来的进程使用。

消息队列/报文队列

消息队列，也称报文队列，是一种以链表式结构组织的一组数据，存放在内核中，是由各进程通过消息队列标识符来引用的一种数据传送方式。

• 消息队列 就是一个消息的链表，可以把消息看作一个记录，具有**特定的格式及特定的优先级**
• 消息队列是**随内核持续的**，消息队列会一直存在，需要调用接口显式删除或使用命令删除
• 每个消息队列在系统范围内对应唯一的键值
• 克服了管道数据无格式字节流的缺点
• 消息队列可以实现消息的**随机查询**，不一定要以先进先出的次序读取,也可以按**消息类型读取**

附：

随进程持续：IPC一直存在，直到打开IPC对象的最后一个进程关闭该对象为止，如管道和有名管道 随内核持续：IPC一直持续到内核重新自举或者显示删除该对象为止，如消息队列、信号量及共享内存等 随文件系统持续：IPC一直持续到显示删除该对象为止

共享内存

共享内存可以说是Linux下最快速、最有效的进程间通信方式。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间，进程A可以及时看到进程B对内存中数据的更新，反之，B也可以看到A的修改。

• 显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的复制 （对于管道和消息队列等通信方式，需要在内核空间和用户空间进行四次的数据复制，而共享内存则只复制两次：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。实际上，进程间共享内存，并不是使用后就接触映射，而是保持共享区，直至通信完毕）
• 最大不足在于，由于多个进程对同一内存区域就具有访问的权限，各个进程之间的同步问题显得尤为重要，通常与信号量结合使用解决同步问题

信号量/信号灯

信号量（Semaphore），也称信号灯，其原理是一种数据操作锁的概念，它本身不具备数据交换的功能，而是通过控制其它的通信资源（文件、外部设备等）来实现进程间通信。

• 信号量本身不具备数据传输的功能，它只是一种外部资源的标识，**负责协调各个进程**，保证它们正确合理地使用公共资源
• 信号量分为**单值和多值**两种，前者只能被一个进程获得，后者可以被若干个进程获得
• 信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作

附：PV操作

1962年，荷兰学者Dijksrta在参与X8计算机的开发中设计并实现了具有多道程序运行能力的操作系统——THE Multiprogramming System。为了解决这个操作系统中进程（线程）的同步与互斥问题，他巧妙地利用火车运行控制系统中的“信号灯”（semaphore，或叫“信号量”）概念加以解决。信号量的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，这个信号量的值仅能由PV操作来改变。 PV操作由P操作原语和V操作原语组成（原语也叫原子操作Atomic Operation，是不可中断的过程），PV两个字母是荷兰文 Passeren（通过）和Vrijgeven（释放）的简称，对信号量（注意不要和Windows中的信号量机制相混淆）进行操作，具体定义如下： P(S)： ①将信号量S的值减1，即S=S-1； ②如果S>=0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态。 V(S)： ①将信号量S的值加1，即S=S+1； ②该进程继续执行；如果该信号的等待队列中有等待进程就唤醒一等待进程。用PV操作实现多线程的同步与互斥是非常简单的，只要考虑逻辑处理上合理严密而不用考虑具体技术细节。 参考：https://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7650470

信号/软中断

信号机制是进程之间相互传递消息的一种方法，信号全程为软中断信号，也有人称作软中断。

从它的命名可以看出，它的实质和使用很像中断。注意它和信号量完全不是一个概念。

• 信号是系统中用于处理**异步事件**的主要手段
• 信号只是**用来通知某个进程发生了什么事**，并不给该进程传递任何数据
• 在Linux的信号控制中，有时不希望进程在接收到信号时立刻中断进程的执行，也不希望该信号完全被忽略，而是延迟一段时间再去调用相关的信号处理函数，可以通过**阻塞信号**的方法来实现

套接字/socket

套接字是操作系统内核的一个数据结构，它是网络中的节点进行相互通信的门户。

套接字也就是网络进程的ID，网络通信，归根到底还是进程间的通信（不同计算机上的进程间通信）。在网络中，每个节点（计算机或路由器）都有一个网络地址，也就是IP地址，但仅凭网络地址还不能确定计算机中的哪个进程，需要端口号（port）来一一对应进程。

• 套接字相比较其它的IPC，它可以实现不同计算机之间的进程间通信

参考：

《精通Linux C编程》- 程国钢

https://blog.csdn.net/wh_sjc/article/details/70283843