進程間通信的方式及應用場景

開頭

　　每個進程的用戶地址空間都是獨立的，進程與進程之間，內部空間是隔離的，進程 A 不可能直接使用進程 B 的變量名的形式得到進程 B 中變量的值。但內核空間是每個進程都共享的，所以進程之間要通信必須通過內核。實現進程與進程之間的通信，常用的方式主要有：管道、消息隊列、共享內存、信號量、信號、socket等等。

 

 

一、管道

　　在 Linux 命令中，常見的“|”符號就是一種管道。比如：

 ps auxf | grep mysql

 

　　上面的命令中，“|”的功能是將前一個命令（ps auxf）的輸出，作為后一個命令（grep mysql）的輸入。這種管道沒有名字，匿名管道，用完就銷毀。命名管道也被叫做 FIFO，因為數據的傳輸方式是先進先出（first in first out）。

　　管道傳輸數據是單向的，如果想相互通信，需要創建兩個管道才行。

 

管道創建、寫入、讀取

創建

mkfifo myPipe

　　myPipe 是新創建的管道的名稱，基於 Linux 一切皆文件的理念，管道也是以文件的方式存在，可以用 ls 看到文件類型是 p，也就是 pipe（管道） 的意思：

$ ls -l
prw-r--r--. 1 root    root         0 Jul 17 02:45 myPipe

echo "hello" > myPipe  # 將數據寫進管道。程序會阻塞，只有當管道里的數據被讀完后，程序才會正常繼續。
                         

cat < myPipe  # 讀取管道里的數據
# hello

 

管道的優缺點

　　缺點：管道的通信方式效率低，不適合進程間頻繁地交換數據。

　　優點：簡單。

 

二、消息隊列

　　前面說到管道的通信方式效率很低，因此管道不適合進程間頻繁地交換數據。

　　對於這個問題，消息隊列可以解決。比如，A 進程要給 B 進程發送消息，A 進程將數據存入消息隊列，B 進程只需要讀取數據即可。反之亦如此。

　　消息隊列的本質是保存在內核中的一種消息鏈表，在發送數據時，會分成獨立的數據單元，也就是消息體（數據塊）。消息體是用戶自定義的數據類型，消息的發送方和接收方必須約定好消息體的數據類型，所以每個消息體都是固定大小的存儲塊，不像管道是無格式的字節流數據。如果進程從消息隊列中讀取了消息體，內核就會把這個消息體刪除。

　　消息隊列生命周期隨內核，如果沒有釋放消息隊列或者沒有關閉操作系統，消息隊列會一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是隨進程的創建而建立，隨進程的結束而銷毀。

　　消息這種模型，兩個進程之間的通信就像平時發郵件一樣，你來一封，我回一封，可以頻繁溝通。但郵件的通信方式存在不足的地方有兩點：一是通信不及時，二是附件也有大小限制，這同樣也是消息隊列通信不足的點。

 

消息隊列的優缺點

　　缺點：

1. 通信不及時
2. 不適合比較大數據的傳輸，因為在內核中每個消息體都有一個最大長度的限制，同時所有隊列所包含的全部消息體的總長度也是有上限。在 Linux 內核中，會有兩個宏定義 MSGMAX 和 MSGMNB，它們以字節為單位，分別定義了一條消息的最大長度和一個隊列的最大長度。
3. 消息隊列通信過程中，存在用戶態與內核態之間的數據拷貝開銷，因為進程寫入數據到內核中的消息隊列時，會發生從用戶態拷貝數據到內核態的過程，同理另一進程讀取內核中的消息數據時，會發生從內核態拷貝數據到用戶態的過程。

　　優點：

1. 可以頻繁地交換數據
2. 可以自定義數據類型

 

三、共享內存

　　消息隊列的讀取和寫入的過程，都會有發生用戶態與內核態之間的消息拷貝過程。而共享內存就很好的解決了這一問題。

　　現代操作系統，對於內存管理，采用的是虛擬內存技術，也就是每個進程都有自己獨立的虛擬內存空間，不同進程的虛擬內存映射到不同的物理內存中。所以，即使進程 A 和 進程 B 的虛擬地址是一樣的，其實訪問的是不同的物理內存地址，對於數據的增刪查改互不影響。

　　共享內存的機制，就是拿出一塊虛擬地址空間來，映射到相同的物理內存中。這樣這個進程寫入的東西，另外一個進程馬上就能看到，大大提高了進程間通信的速度。

 

 

四、信號量

　　用了共享內存通信方式，帶來新的問題：如果多個進程同時修改同一個共享內存，很有可能發生沖突。例如兩個進程都同時寫一個地址，先寫的進程會的內容會被覆蓋。

　　為了防止多進程競爭共享資源而造成的數據錯亂，需要一種保護機制，使得共享的資源在任意時刻只能被一個進程訪問。信號量就實現了這一保護機制。

　　信號量本質是一個整型的計數器，主要用於實現進程間的互斥與同步，而不是用於緩存進程間通信的數據。

信號量表示資源的數量，控制信號量的方式有兩種原子操作：

•  P 操作：將信號量減去 -1，相減后如果信號量 < 0，則表明資源已被占用，進程需阻塞等待；相減后如果信號量 >= 0，則表明還有資源可使用，進程可正常繼續執行。

•  V 操作：將信號量加上 1，相加后如果信號量 <= 0，則表明當前有阻塞中的進程，於是將該進程喚醒運行；相加后如果信號量 > 0，則表明當前沒有阻塞中的進程；

P 操作是用在進入共享資源之前，V 操作是用在離開共享資源之后，這兩個操作是必須成對出現的。

具體過程：

• 進程 A 在訪問共享內存前，先執行 P 操作，由於信號量的初始值為 1，故在進程 A 執行 P 操作后信號量變為 0，表示共享資源可用，於是進程 A 就可以訪問共享內存。

• 若此時，進程 B 也想訪問共享內存，執行了 P 操作，結果信號量變為 -1，意味着臨界資源已被占用，因此進程 B 被阻塞。

• 進程 A 訪問完共享內存，執行 V 操作，使得信號量恢復為 0，接着就會喚醒阻塞中的線程 B，使得進程 B 可以訪問共享內存，最后完成共享內存的訪問后，執行 V 操作，使信號量恢復到初始值 1。

 

　　信號初始化為 1，代表着是互斥信號量，它可以保證共享內存在任何時刻只有一個進程在訪問，這就很好的保護了共享內存。

　　另外，在多進程里，每個進程並不一定是順序執行的，它們基本是以各自獨立的、不可預知的速度向前推進，但有時候我們又希望多個進程能密切合作，以實現一個共同的任務。

　　例如，進程 A 是負責生產數據，而進程 B 是負責讀取數據，這兩個進程相互合作、相互依賴，進程 A 必須先生產了數據，進程 B 才能讀取到數據，所以執行是有前后順序的。這時候，就可以用信號量來實現多進程同步的方式，我們可以初始化信號量為 0。

具體過程：

• 如果進程 B 比進程 A 先執行了，那么執行到 P 操作時，由於信號量初始值為 0，故信號量會變為 -1，表示進程 A 還沒生產數據，於是進程 B 就阻塞等待；

• 接着，當進程 A 生產完數據后，執行了 V 操作，就會使得信號量變為 0，於是就會喚醒阻塞在 P 操作的進程 B；

• 最后，進程 B 被喚醒后，意味着進程 A 已經生產了數據，於是進程 B 就可以正常讀取數據了。

可以發現，信號初始化為 0，就代表着是同步信號量，它可以保證進程 A 應在進程 B 之前執行。

 

五、信號

　　上面說的進程間通信，都是常規狀態下的工作模式。對於異常情況下的工作模式，需要用信號的方式來通知進程。

　　信號跟信號量雖然名字相似，但兩者用途完全不一樣，就好像 Java 和 JavaScript 的區別。

　　在 Linux 操作系統中， 為了響應各種各樣的事件，提供了幾十種信號，分別代表不同的意義。可以通過 kill -l 命令查看所有的信號.

運行在 shell 終端的進程，我們可以通過鍵盤輸入某些組合鍵的時候，給進程發送信號。例如

• Ctrl+C 產生 SIGINT 信號，表示終止該進程；

• Ctrl+Z 產生 SIGINTSIGTSTP 信號，表示停止該進程，但還未結束；

如果進程在后台運行，可以通過 kill 命令的方式給進程發送信號，但前提需要知道運行中的進程 PID 號，例如：

• kill -9 1050 ，表示給 PID 為 1050 的進程發送 SIGKILL 信號，用來立即結束該進程；

所以，信號事件的來源主要有硬件來源（如鍵盤 Cltr+C ）和軟件來源（如 kill 命令）。

信號是進程間通信機制中唯一的異步通信機制，因為可以在任何時候發送信號給某一進程，一旦有信號產生，我們就有下面這幾種，用戶進程對信號的處理方式。

1. 執行默認操作。Linux 對每種信號都規定了默認操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信號，就是終止進程的意思。Core 的意思是 Core Dump，也即終止進程后，通過 Core Dump 將當前進程的運行狀態保存在文件里面，方便程序員事后進行分析問題在哪里。
2. 捕捉信號。我們可以為信號定義一個信號處理函數。當信號發生時，就執行相應的信號處理函數。
3. 忽略信號。當我們不希望處理某些信號的時候，就可以忽略該信號，不做任何處理。有兩個信號是應用進程無法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，它們用於在任何時候中斷或結束某一進程。

 

六、socket

　　網絡通信