进程通信

概述

进程间有哪些通信方式?

• 管道
• 消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 信号
• Socket

每个进程的用户地址空间都是独立的，一般而言是不能互相访问的，但内核空间是每个进程都共享的，所以进程之间要通信必须通过内核

1.管道

$ ps auxf | grep mysql

上面命令行里的「|」竖线就是一个管道，它的功能是将前一个命令（ps auxf）的输出，作为后一个命令（grep mysql）的输入，从这功能描述，可以看出管道传输数据是单向的，如果想相互通信，我们需要创建两个管道才行。

同时，我们得知上面这种管道是没有名字，所以「|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁。

管道还有另外一个类型是命名管道，也被叫做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。

1.1.命名管道

创建和使用命名管道

在使用命名管道前，先需要通过mkfifo命令来创建，并且指定管道名字：

$ mkfifo myPipe

接下来，我们往myPipe这个管道写入数据：

$ echo "hello" > myPipe // 将数据写进管道
						// 停住了 ...	

你操作了后，你会发现命令执行后就停在这了，这是因为管道里的内容没有被读取，只有当管道里的数据被读完后，命令才可以正常退出。

于是，我们执行另外一个命令来读取这个管道里的数据：

$ cat < myPipe  // 读取管道里的数据
hello

可以看到，管道里的内容被读

我们可以看出，管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。当然，它的好处，自然就是简单，同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。取出来了，并打印在了终端上，另外一方面，echo 那个命令也正常退出了

1.2.匿名管道

管道如何创建，背后的原理是什么？

匿名管道的创建，需要通过下面这个系统调用：

int pipe(int fd[2])

这里表示创建一个匿名管道，并返回了两个描述符，一个是管道的读取端描述符fd[0],另一个是管道的写入端fd[1]。注意，这个匿名管道是特殊的文件，只存在于内存

所谓的管道，就是内核里面的一串缓存，从管道的一段写入的数据，实际上是缓存在内核中的，另一端读取，也就是从内核中读取这段数据，另外管道传输的数据是无格式的流且大小受限

两个描述符都是在一个进程里面，并没有起到进程间通信的作用，怎么才能使得管道是跨过两个进程的呢？

我们可以使用fork创建子进程，创建的子进程会复制父进程的文件描述符，这样就做到了两个进程各有两个 fd[0] 与 fd[1]，两个进程就可以通过各自的fd写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了

管道只能一段写如，另一个端读出，所以上面这种模式容易造成混乱，因为父进程和子进程都可以同时写入，也都可以读出，那么，为了避免这种情况，通常的做法是：

• 父进程关闭读取的 fd[0]，只保留写入的 fd[1]；
• 子进程关闭写入的 fd[1]，只保留读取的 fd[0]；

所以说如果需要双向通信，则应该创建两个管道

到这里，我们仅仅解析了使用管道进行父进程与子进程之间的通信，但是在我们 shell 里面并不是这样的。

在 shell 里面执行 A | B命令的时候，A 进程和 B 进程都是 shell 创建出来的子进程，A 和 B 之间不存在父子关系，它俩的父进程都是 shell。

所以说，在 shell 里通过「|」匿名管道将多个命令连接在一起，实际上也就是创建了多个子进程，那么在我们编写 shell 脚本时，能使用一个管道搞定的事情，就不要多用一个管道，这样可以减少创建子进程的系统开销

对于匿名管道，它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体，也就是没有管道文件，只能通过fork来复制父进程fd文件描述符，来达到通信的目的

不管是匿名管道还是命名管道，进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取，同时通信数据都遵循先进先出原则

2.消息队列

消息队列通信模式：A进程要给B进程发送消息，A进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回，B进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B进程要给A进程发送消息也是如此

消息队列是保存在内核中的消息链表；

消息体：发送方和接收方约定好的数据类型

在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型；所以，每个消息体都是固定大小的存储块；

缺点：

1. 通信不及时
2. 附件大小有限制
3. 不适合比较大的数据传输，因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制
4. 消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销

3.共享内存

消息队列的读取和写入的过程，都会有发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。那共享内存的方式，就很好的解决了这一问题。

共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中

这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度

4.信号量

共享内存通信方式，带来新的问题，那就是如果多个进程同时修改同一个共享文件，很有可能冲突了，例如两个进程都同时写一个地址，那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了

为了防止多进程竞争共享资源，而造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻之恶能被一个进程访问。正好，信号量就实现了这一保护机制

信号量其实是一个整形的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间的数据

信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：

• P操作：信号量减一，相减后如果信号量 < 0,则表示资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0,则表明还有资源可使用，进程可以正常继续执行
• V操作: 信号量加一，相加后如果信号量<= 0,则表示当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行，相加后如果信号量 > 0,则表明当前没有阻塞中的进程

P操作使用在进入共享资源之前，V操作是用在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的

接下来，举个例子，如果要使得两个进程互斥访问共享内存，我们可以初始化信号量为 1。

具体的过程如下：

• 进程 A 在访问共享内存前，先执行了 P 操作，由于信号量的初始值为 1，故在进程 A 执行 P 操作后信号量变为 0，表示共享资源可用，于是进程 A 就可以访问共享内存。
• 若此时，进程 B 也想访问共享内存，执行了 P 操作，结果信号量变为了 -1，这就意味着临界资源已被占用，因此进程 B 被阻塞。
• 直到进程 A 访问完共享内存，才会执行 V 操作，使得信号量恢复为 0，接着就会唤醒阻塞中的线程 B，使得进程 B 可以访问共享内存，最后完成共享内存的访问后，执行 V 操作，使信号量恢复到初始值 1。

可以发现，信号初始化为 1，就代表着是互斥信号量，它可以保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问，这就很好的保护了共享内存。

另外，在多进程里，每个进程并不一定是顺序执行的，它们基本是以各自独立的、不可预知的速度向前推进，但有时候我们又希望多个进程能密切合作，以实现一个共同的任务。

例如，进程 A 是负责生产数据，而进程 B 是负责读取数据，这两个进程是相互合作、相互依赖的，进程 A 必须先生产了数据，进程 B 才能读取到数据，所以执行是有前后顺序的。

那么这时候，就可以用信号量来实现多进程同步的方式，我们可以初始化信号量为 0。

具体过程：

• 如果进程 B 比进程 A 先执行了，那么执行到 P 操作时，由于信号量初始值为 0，故信号量会变为 -1，表示进程 A 还没生产数据，于是进程 B 就阻塞等待；
• 接着，当进程 A 生产完数据后，执行了 V 操作，就会使得信号量变为 0，于是就会唤醒阻塞在 P 操作的进程 B；
• 最后，进程 B 被唤醒后，意味着进程 A 已经生产了数据，于是进程 B 就可以正常读取数据了。

可以发现，信号初始化为 0，就代表着是同步信号量，它可以保证进程 A 应在进程 B 之前执行。

5.信号

信号是异步通信机制，信号可以在应用进程和内核之间直接交互

可以在在任何时候发送信号给某一个进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式

1. 执行默认操作
2. 捕捉信号
3. 忽略信号

6.Socket

跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要Socket通信了

Socket实际上不仅用于不同的主机进程间通信，还可以用于本机主机进程间通信，可根据创建Socket的类型不同，分为常见的通信方式

1. 基于TCP协议的通信方式
2. 基于UDP协议的通信方式
3. 本地进程间的通信方式