进程间通信

1 概述

进程通信(Interprocess Communication，IPC)是一个进程与另一个进程间共享消息的一种通信方式。消息(message)是发送进程形成的一个消息块，将消息内容传送给接收进程。IPC机制是消息从一个进程的地址空间拷贝到另一个进程的地址空间。

2 进程的同步和通信是两个很容易弄混的概念,它们的区别在于:

  • 进程同步:控制多个进程按一定顺序执行
  • 进程通信:进程间传输信息
    进程通信是一种手段，而进程同步是一种目的。也可以说，为了能够达到进程同步的目的，需要让进程进行通信，传输一些进程同步需要的信息

3 进程通信的目的

  • 数据传输
    一个进程需要将其数据发送给另一进程，发送的数据量在一个字节到几M字节之间。
  • 共享数据
    多个进程操作共享数据
  • 事件通知
    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。为了作到这一点，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（如Debug进程），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。

4 linux使用的进程间通信方式

  1. 管道（pipe）,流管道(s_pipe)和有名管道（FIFO）
  2. 信号(signal)
  3. 消息队列
  4. 共享内存
  5. 信号量
  6. 套接字（socket)

5 管道(pipe)

管道这种通讯方式有两种限制，一是半双工的通信，数据只能单向流动，二是只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

流管道s_pipe: 去除了第一种限制,可以双向传输（全双工）.

管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，命名管道:name_pipe克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；

（1）普通管道 

（2）有名管道 FIFO

也称为命名管道，取出了只能在父子进程中使用的限制。
FIFO常用语client-server应用程序中，FIFO用作汇聚点，在客户进程和服务器进程之间传递数据。

（3）实战

我们来看一条 Linux 的语句

netstat -tulnp | grep 8080

学过 Linux 命名的估计都懂这条语句的含义，其中”|“是管道的意思，它的作用就是把前一条命令的输出作为后一条命令的输入。在这里就是把 netstat -tulnp 的输出结果作为 grep 8080 这条命令的输入。如果两个进程要进行通信的话，就可以用这种管道来进行通信了，并且我们可以知道这条竖线是没有名字的，所以我们把这种通信方式称之为匿名管道。

并且这种通信方式是单向的，只能把第一个命令的输出作为第二个命令的输入，如果进程之间想要互相通信的话，那么需要创建两个管道。

居然有匿名管道，那也意味着有命名管道，下面我们来创建一个命名管道。

mkfifo  test

这条命令创建了一个名字为 test 的命名管道。

接下来我们用一个进程向这个管道里面写数据，然后有另外一个进程把里面的数据读出来。

echo "this is a pipe" > test   // 写数据

这个时候管道的内容没有被读出的话，那么这个命令就会一直停在这里，只有当另外一个进程把 test 里面的内容读出来的时候这条命令才会结束。接下来我们用另外一个进程来读取

cat < test  // 读数据

我们可以看到，test 里面的数据被读取出来了。上一条命令也执行结束了。

从上面的例子可以看出，管道的通知机制类似于缓存，就像一个进程把数据放在某个缓存区域，然后等着另外一个进程去拿，并且是管道是单向传输的。

这种通信方式有什么缺点呢？显然，这种通信方式效率低下，你看，a 进程给 b 进程传输数据，只能等待 b 进程取了数据之后 a 进程才能返回。

所以管道不适合频繁通信的进程。当然，他也有它的优点，例如比较简单，能够保证我们的数据已经真的被其他进程拿走了。我们平时用 Linux 的时候，也算是经常用。

6、消息队列

那我们能不能把进程的数据放在某个内存之后就马上让进程返回呢？无需等待其他进程来取就返回呢？

答是可以的，我们可以用消息队列的通信模式来解决这个问题，例如 a 进程要给 b 进程发送消息，只需要把消息放在对应的消息队列里就行了，b 进程需要的时候再去对应的消息队列里取出来。同理，b 进程要个 a 进程发送消息也是一样。这种通信方式也类似于缓存吧。

 

相比于FIFO，消息队列具有以下优点:

  • 消息队列可以独立于读写进程存在，从而避免了FIFO中同步管道的打开和关闭时可能产生的困难
  • 避免了FIFO的同步阻塞问题，不需要进程自己提供同步方法
  • 读进程可以根据消息类型有选择的接收信息，而不像FIFO那样只能默认地接收

 

这种通信方式有缺点吗？答是有的，如果 a 进程发送的数据占的内存比较大，并且两个进程之间的通信特别频繁的话，消息队列模型就不大适合了。因为 a 发送的数据很大的话，意味发送消息（拷贝）这个过程需要花很多时间来读内存。

哪有没有什么解决方案呢？答是有的，请继续往下看。

7、共享内存

共享内存这个通信方式就可以很好着解决拷贝所消耗的时间了。

这个可能有人会问了，每个进程不是有自己的独立内存吗？两个进程怎么就可以共享一块内存了？

我们都知道，系统加载一个进程的时候，分配给进程的内存并不是实际物理内存，而是虚拟内存空间。那么我们可以让两个进程各自拿出一块虚拟地址空间来，然后映射到相同的物理内存中，这样，两个进程虽然有着独立的虚拟内存空间，但有一部分却是映射到相同的物理内存，这就完成了内存共享机制了。

8、信号量

它是一个计数器，用于为多个进程提供对共享数据对象的访问

共享内存最大的问题是什么？没错，就是多进程竞争内存的问题，就像类似于我们平时说的线程安全问题。如何解决这个问题？这个时候我们的信号量就上场了。

信号量的本质就是一个计数器，用来实现进程之间的互斥与同步。例如信号量的初始值是 1，然后 a 进程来访问内存1的时候，我们就把信号量的值设为 0，然后进程b 也要来访问内存1的时候，看到信号量的值为 0 就知道已经有进程在访问内存1了，这个时候进程 b 就会访问不了内存1。所以说，信号量也是进程之间的一种通信方式。

9、Socket

上面我们说的共享内存、管道、信号量、消息队列，他们都是多个进程在一台主机之间的通信，那两个相隔几千里的进程能够进行通信吗？

答是必须的，这个时候 Socket 这家伙就派上用场了，例如我们平时通过浏览器发起一个 http 请求，然后服务器给你返回对应的数据，这种就是采用 Socket 的通信方式了。

10 各通信方式的比较和优缺点：

  • 管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯
  • FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢
  • 消息队列： 容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题，消息队列可以不再局限于父子进程，而允许任意进程通过共享消息队列来实现进程间通信，并由系统调用函数来实现消息发送和接收之间的同步，从而使得用户在使用消息缓冲进行通信时不再需要考虑同步问题，使用方便，但是信息的复制需要额外消耗CPU的时间，不适宜于信息量大或操作频繁的场合。此种方法不太常用
  • 信号量： 不能用来传递复杂消息，只能用来同步
  • 共享内存：利用内存缓冲区直接交换信息，无须复制，快捷、信息量大是其优点。共享内存块提供了在任意数量的进程之间进行高效双向通信的机制。每个使用者都可以读取写入数据，但是所有程序之间必须达成并遵守一定的协议，以防止诸如在读取信息之前覆写内存空间等竞争状态的出现。

11 进程间通信方式的选择

  • PIPE和FIFO(有名管道)用来实现进程间相互发送非常短小的、频率很高的消息，这两种方式通常适用于两个进程间的通信
  • 共享内存用来实现进程间共享的、非常庞大的、读写操作频率很高的数据；这种方法适用于多进程间的通信
  • 其他考虑用socket。主要应用在分布式开发中