六大进程通信机制总结 上

发布于 2021-3-18 09:45
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初学操作系统的时候,我就一直懵逼,为啥进程同步与互斥机制里有信号量机制,进程通信里又有信号量机制,然后你再看网络上的各种面试题汇总或者博客,你会发现很多都是千篇一律的进程通信机制有哪些?进程同步与互斥机制鲜有人问津。看多了我都想把 CSDN 屏了.....,最后知道真相的我只想说为啥不能一篇博客把东西写清楚,没头没尾真的浪费时间。

 

希望这篇文章能够拯救某段时间和我一样被绕晕的小伙伴。上篇文章我已经讲过进程间的同步与互斥机制,各位小伙伴看完这个再来看进程通信比较好。

全文脉络思维导图如下:六大进程通信机制总结 上-开源基础软件社区

1. 什么是进程通信


顾名思义,进程通信( InterProcess Communication,IPC)就是指进程之间的信息交换。实际上,进程的同步与互斥本质上也是一种进程通信(这也就是待会我们会在进程通信机制中看见信号量和 PV 操作的原因了),只不过它传输的仅仅是信号量,通过修改信号量,使得进程之间建立联系,相互协调和协同工作,但是它缺

乏传递数据的能力。

虽然存在某些情况,进程之间交换的信息量很少,比如仅仅交换某个状态信息,这样进程的同步与互斥机制完全可以胜任这项工作。但是大多数情况下,进程之间需要交换大批数据,比如传送一批信息或整个文件,这就需要通过一种新的通信机制来完成,也就是所谓的进程通信。

再来从操作系统层面直观的看一些进程通信:我们知道,为了保证安全,每个进程的用户地址空间都是独立的,一般而言一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间,不过内核空间是每个进程都共享的,所以进程之间想要进行信息交换就必须通过内核。六大进程通信机制总结 上-开源基础软件社区

下面就来我们来列举一下 Linux 内核提供的常见的进程通信机制:

  • 管道(也称作共享文件)
  • 消息队列(也称作消息传递)
  • 共享内存(也称作共享存储)
  • 信号量和 PV 操作
  • 信号
  • 套接字(Socket)


2. 管道


匿名管道


各位如果学过 Linux 命令,那对管道肯定不陌生,Linux 管道使用竖线 | 连接多个命令,这被称为管道符。

 

$ command1 | command2


以上这行代码就组成了一个管道,它的功能是将前一个命令(command1)的输出,作为后一个命令(command2)的输入,从这个功能描述中,我们可以看出管道中的数据只能单向流动,也就是半双工通信,如果想实现相互通信(全双工通信),我们需要创建两个管道才行。

另外,通过管道符 | 创建的管道是匿名管道,用完了就会被自动销毁。并且,匿名管道只能在具有亲缘关系(父子进程)的进程间使用,。也就是说,匿名管道只能用于父子进程之间的通信。

 

在 Linux 的实际编码中,是通过 pipe 函数来创建匿名管道的,若创建成功则返回 0,创建失败就返回 -1:

int pipe (int fd[2]);
该函数拥有一个存储空间为 2 的文件描述符数组:

fd[0] 指向管道的读端,fd[1] 指向管道的写端
fd[1] 的输出是 fd[0] 的输入


粗略的解释一下通过匿名管道实现进程间通信的步骤:

 

1)父进程创建两个匿名管道,管道 1(fd1[0]和 fd1[1])和管道 2(fd2[0] 和 fd2[1]);

因为管道的数据是单向流动的,所以要想实现数据双向通信,就需要两个管道,每个方向一个。


2)父进程 fork 出子进程,于是对于这两个匿名管道,子进程也分别有两个文件描述符指向匿名管道的读写两端;

3)父进程关闭管道 1 的读端 fd1[0] 和 管道 2 的写端 fd2[1],子进程关闭管道 1 的写端 fd1[1] 和 管道 2 的读端 fd2[0],这样,管道 1 只能用于父进程写、子进程读;管道 2 只能用于父进程读、子进程写。管道是用环形队列实现的,数据从写端流入从读端流出,这就实现了父子进程之间的双向通信。六大进程通信机制总结 上-开源基础软件社区

看完上面这些讲述,我们来理解下管道的本质是什么:对于管道两端的进程而言,管道就是一个文件(这也就是为啥管道也被称为共享文件机制的原因了),但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,而是自立门户,单独构成一种文件系统,并且只存在于内存中。

简单来说,管道的本质就是内核在内存中开辟了一个缓冲区,这个缓冲区与管道文件相关联,对管道文件的操作,被内核转换成对这块缓冲区的操作。

 

有名管道


匿名管道由于没有名字,只能用于父子进程间的通信。为了克服这个缺点,提出了有名管道,也称做 FIFO,因为数据是先进先出的传输方式。

所谓有名管道也就是提供一个路径名与之关联,这样,即使与创建有名管道的进程不存在亲缘关系的进程,只要可以访问该路径,就能够通过这个有名管道进行相互通信。

 

使用 Linux 命令 mkfifo 来创建有名管道:

$ mkfifo myPipe
myPipe 就是这个管道的名称,接下来,我们往 myPipe 这个有名管道中写入数据:

$ echo "hello" > myPipe
执行这行命令后,你会发现它就停在这了,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有名管道里的数据:

$ cat < myPipe
hello


3. 消息队列


可以看出,管道这种进程通信方式虽然使用简单,但是效率比较低,不适合进程间频繁地交换数据,并且管道只能传输无格式的字节流。为此,消息传递机制(Linux 中称消息队列)应用而生。比如,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了,B 进程在需要的时候自行去消息队列中读取数据就可以了。同样的,B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。六大进程通信机制总结 上-开源基础软件社区

消息队列的本质就是存放在内存中的消息的链表,而消息本质上是用户自定义的数据结构。如果进程从消息队列中读取了某个消息,这个消息就会被从消息队列中删除。对比一下管道机制:

  • 消息队列允许一个或多个进程向它写入或读取消息。
  • 消息队列可以实现消息的随机查询,不一定非要以先进先出的次序读取消息,也可以按消息的类型读取。比有名管道的先进先出原则更有优势。
  • 对于消息队列来说,在某个进程往一个队列写入消息之前,并不需要另一个进程在该消息队列上等待消息的到达。而对于管道来说,除非读进程已存在,否则先有写进程进行写入操作是没有意义的。
  • 消息队列的生命周期随内核,如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统,消息队列就会一直存在。而匿名管道随进程的创建而建立,随进程的结束而销毁。


需要注意的是,消息队列对于交换较少数量的数据很有用,因为无需避免冲突。但是,由于用户进程写入数据到内存中的消息队列时,会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程;同样的,另一个用户进程读取内存中的消息数据时,会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。因此,如果数据量较大,使用消息队列就会造成频繁的系统调用,也就是需要消耗更多的时间以便内核介入。

 

4. 共享内存


为了避免像消息队列那样频繁的拷贝消息、进行系统调用,共享内存机制出现了。

顾名思义,共享内存就是允许不相干的进程将同一段物理内存连接到它们各自的地址空间中,使得这些进程可以访问同一个物理内存,这个物理内存就成为共享内存。如果某个进程向共享内存写入数据,所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

 

集合内存管理的内容,我们来深入理解下共享内存的原理。首先,每个进程都有属于自己的进程控制块(PCB)和逻辑地址空间(Addr Space),并且都有一个与之对应的页表,负责将进程的逻辑地址(虚拟地址)与物理地址进行映射,通过内存管理单元(MMU)进行管理。两个不同进程的逻辑地址通过页表映射到物理空间的同一区域,它们所共同指向的这块区域就是共享内存。六大进程通信机制总结 上-开源基础软件社区

不同于消息队列频繁的系统调用,对于共享内存机制来说,仅在建立共享内存区域时需要系统调用,一旦建立共享内存,所有的访问都可作为常规内存访问,无需借助内核。这样,数据就不需要在进程之间来回拷贝,所以这是最快的一种进程通信方式。

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在下篇,我们讲讲信号量和 PV 操作。

已于2021-3-18 09:45:13修改
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