[2.1.4]进程管理——进程通信

第二章 进程管理

进程通信（IPC）

  这个小节我们会学习进程通信的几种方式，分别是

• 共享存储
• 基于数据结构的共享
• 基于存储区的共享
• 消息传递
• 直接通信方式
• 间接通信方式
• 管道通信

  进程之间的通信（Inter-Process Communication, IPC）是指两个进程之间产生数据交互。

  在一个系统当中，同时会有多个进程正在运行，那么这些进程之间难免需要相互配合着工作，在这种情况下，进程和进程之间的数据通信就显得很有必要了。

  比如正在浏览微博的时候，可以通过分享功能，把一条微博分享给微信好友。这时就发生进程间的通信了。本来那条微博的链接是在微博里面的，直接就分享到微信里面了，这个过程显然是进程和进程之间发生了数据交互、发生了通信 。

  既然进程之间的通信是很有必要的，那么该怎样实现进程之间的通信呢？这个需要操作系统的支持。

为什么进程通信需要操作系统支持？

  为什么进程之间的通信一定要有操作系统内核的支持，原因是这样的。

  我们系统中给各个进程分配内存地址空间的时候，各个进程的内存地址空间是相互独立的，比如进程P它可以访问自己的空间，进程Q可以访问自己的空间。但是进程P不可以访问进程Q的地址空间。

  这么规定，是出于安全的考虑。因为，如果一个进程可以随意地访问其他进程的内存地址空间，那么一个进程就可以随意修改其他进程的数据了，或者随意读取其他进程的数据。那这样的话，试想一下，比如你的手机里面不知什么时候安装了一个垃圾软件，这个垃圾软件，如果它可以随意地访问其他进程的地址空间，那有可能它直接把你微信里的私密的一些聊天数据，或者照片之类的，直接读取走了。这显然是不安全的。

  因此，出于安全考虑，各个进程只能访问自己的这片内存地址空间，而不能访问其他进程的内存地址空间，无论是读、写，都不行。

  因此，如果P和Q，它们之间想要进行数据交互，想要进行进程之间的通信，那么显然，进程P是不可能直接把这个数据写到Q的这片空间里面的。

  所以，由于进程不可直接访问其他进程的内存地址空间，因此就必须要有操作系统的支持才可以完成进程之间的通信。

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  接下来会介绍三种进程之间的通信方式：共享存储、消息传递、管道通信。

（一）共享存储

（1）基于存储区的共享

  各个进程只能访问自己的这片空间，但是如果操作系统支持共享存储的功能，那么一个进程，它可以申请一片共享存储区。而这片共享存储区，也可以被其他进程所共享。

  这样的话，一个进程P，如果它要给Q传送数据的话，那么P就可以先把数据写到这片共享存储区里面，因为P对共享存储区是有访问权限的。接下来进程Q再从共享存储区里面读出数据。

  由于共享存储区可以被多个进程所共享，因此这些数据之间的数据交换，就可以通过这一片被共享的区域来进行。这就是共享存储的进程间通信方式。

  比如Linux中，如何实现共享内存：

  int shm_open(...); //通过shm_open系统调用，申请一片共享内存区

  void * mmap(...); //通过mmap系统调用，将共享内存区映射到进程自己的地址空间

  （注：什么叫内存区映射，这是第三章内容。通过“增加页表项/段表项”，即可将同一片共享内存区映射到各个进程的地址空间中。）

  另外，还需要注意一个问题，如果多个进程都往这片区域写数据的话，有可能会导致写冲突，会导致数据覆盖的问题。所以，各个进程之间如果使用共享存储的方式来进行通信的话，那么需要保证各个进程对这个共享存储区的访问是互斥的。也就是当进程P正在访问这片区域的时候，那其他进程就不能访问这片区域。

  怎么实现这个互斥的功能呢？

  操作系统内核会提供一些同步互斥工具（比如在后面会学习的P、V操作），各个进程从而能够对共享存储区实现一种互斥的访问。

  刚才我们说的这种共享存储的方案，是基于存储区的共享。操作系统给你划定了这么大的一片区域，之后，若干个进程，到底是想往这片区域里的哪个位置写，或者从哪个位置读，这些都是很自由的。操作系统只负责把这片区域划给你，但是并不管你怎么使用这片区域。

  基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由参与通信的进程自己控制，而不是操作系统。这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。

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（2）基于数据结构的共享

  相比之下，还有一种基于数据结构的共享。

  操作系统给你们两个进程，划定的共享区域，它就规定，只能存放一个长度为10的数组。这样的话，各个进程之间的通信自由度就没那么高，并且传送数据的速度也会比较慢。

  基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。

（二）消息传递

  如果采用这种通信方式，那么进程之间的数据交换会以格式化的消息（Message）为单位。通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语来进行数据交换。

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什么叫“格式化的消息”？

  所谓格式化的消息，由两个部分组成：消息头、消息体。

  消息头，要写明注明，这个消息是由谁发送的，到底要发送给谁，整个消息的长度是多少，等等这些概要性的信息。

  消息体，就是具体的，一个进程想要传送给另一个进程的数据。

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  这种消息传递的通信方式，又可以进一步划分为：直接通信方式、间接通信方式。

  其中，直接通信方式就是，发送进程要指明接收进程的ID。（系统里每一个进程都会有一个ID，叫PID）直接通信方式的意思就是，我发送的时候，直接点明，就是要它接收。

  而间接通信方式，会通过一个叫作“信箱”的中间实体来进行通信。所以间接通信方式又称为“信箱通信方式”。

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（1）直接通信方式

  进程P现在要给进程Q发送一个消息，而在操作系统的内核区域是管理着各个进程的PCB的。

  同时，会有各个进程PCB对应的消息队列。比如进程Q就有一个进程Q的消息队列，也就是其他进程要发送给进程Q、应该被进程Q接收的这些消息，都挂在这个队列里面。

  现在，进程P要给进程Q发送一个消息。首先，每个进程自己是有自己的地盘、自己的内存空间的，它会在此先完善这个消息的信息（如图msg），包括消息头、消息体。接下来，进程P会使用到发送原语send(Q, msg)（操作系统提供的发送原语），用它来指明，我的这个消息msg，是要发送给Q这个进程。

  这个发送原语，会导致操作系统内核接收到这个消息，并且会把它 挂到进程Q的消息队列里面。

  此时，这个消息msg由进程P的内存空间，复制到了内核空间当中。

  接下来，进程Q通过接收原语receive(P, &msg)，来指明现在要接收一个消息，是P发来的。此时，操作系统会检查进程Q的消息队列，看一下这几个消息到底哪一个是由P发送过来的。

  找到了由P发送过来的消息，那么操作系统内核会把这个消息体的数据，又从操作系统的内核区复制到进程Q的用户区、地址空间。

  消息传递——直接通信方式：点名道姓的消息传递。我在发送的时候，指明要发送给谁；我在接收的时候，指明要接收谁发来的消息。

（2）间接通信方式

  刚才我们说过，间接通信方式，它需要一个中间实体（所谓的“信箱”）来进行消息的传递（所以又称之为信箱通信方式）。

  这种通信方式是这样来实现的：

  进程P和进程Q想要进行通信。那么进程P可以通过系统调用，申请一个信箱，当然也可以申请多个邮箱。比如此处，进程P申请了信箱A、信箱B。

  现在，这两个进程怎么进行通信呢？

  首先，进程P在自己的地址空间里完善消息msg的内容，然后进程P可以使用发送原语send(A, msg)，往信箱A发送消息msg。

  间接通信方式，是指明了我要发送到哪个信箱，并没有指明我要发送给哪个进程。

  那，进程Q在使用接收原语的时候，它可以指明，我要从信箱A中接收一个消息体。这样，信箱A中的这一个msg，就会被操作系统复制到进程Q的空间中了。

  这就是使用信箱来完成消息传递的过程。

  通常来说，操作系统是可以允许多个进程往同一个信箱里send消息，也可以多个进程从同一个邮箱里receive消息。

（三）管道通信

  “管道”这个词还是很形象的，它就像一个水管、管道一样。就是，写进程可以从管道的一边写入数据，读进程从管道的另一边取走数据。

  这个数据的流动只能是单向的。从左到右，或者从右到左，就像一根水管里的水流一样，不可以是双向同时进行的。

  这里的管道，其实是一种特殊的共享文件，又名pipe文件。也就是，如果两个进程要用管道的方式进行进程通信，那么首先我们需要系统调用的方式，来申请一个管道文件，操作系统会新建这个管道文件。这个文件的本质就是在内存当中开辟了一个大小固定的内存缓冲区。然后，两个进程可以往这个内存缓冲区里面写数据和读数据，但是这个数据的读写是先进先出的（FIFO）。

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  问题：说到这里，管道通信是为两个进程开辟了一块内存缓冲区，而刚才所说的共享存储，也是开辟了一块共享存储区，也是可以被进程P、Q共享访问的。那么它们有什么区别？

  区别是这样的：

  刚才我们讲的基于存储区的共享，进程P、Q对于共享存储区中，具体的存储、读取位置，没有任何限制，很自由。但是，管道通信的方式，其中是一个数据流的形式，如果前边有空位，则写数据的时候要先往前边写，前边占满了再接着往后边区域写；读数据的时候也一样，只能先把前边的数据读空了，才可以读后边的这些数据，先进先出。

  所以，管道通信和共享存储通信，区别还是很大的，管道通信的读写一定是先进先出的，可以把它理解为一个循环队列；而共享存储的读写是没有任何限制的。

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  1、管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信（全双工通信），则需要设置两个管道。

  2、各进程要互斥地访问管道。（由操作系统实现）

  3、刚才已经介绍到，这个管道是一个大小固定的内存缓冲区，因此会被写满。当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。

  4、另一个方面，当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。

  5、（这一点，是很多教材最有争议的一个地方）管道通信的方式就决定了，一旦管道中的数据被读出，那就彻底消失了。所以，如果有多个读进程在读同一个管道的时候，就有可能导致错乱：因为我们管道里面的数据，它并没有指明我到底是要给进程Q的、还是要给进程R的。所以，如果多个进程都从同一个管道这读数据的话，那么就有可能这个数据的读取动作是比较乱的：第一块数据被Q读走了、第二块数据被R读走了。

  针对这一问题，不同的操作系统会有不同的解决方案：①一个管道允许多个写进程，一个读进程（2014年408真题高教社官方答案）；②允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据（Linux的方案）。

  有的操作系统是①的方案，有的操作系统是②的方案。因此，有的教材按照①来说，管道允许多个写进程、但只允许一个读进程；而有的教材按照②来说，一个管道允许多个写进程、多个读进程。

  对于408考试来说，按照①来说即可。但是从现实应用的角度来看，①②都是存在的。

小结

  共享存储、消息传递、管道通信这三种常见的进程间通信方式。这三种通信的功能都是需要操作系统的底层来支持的。

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  共享存储，会设置一块共享内存区，并映射到进程的虚拟地址空间（这个问题在学完第三章，段表、页表之后再回来看就懂了，这个很简单）。

  另外，各个进程对共享空间的访问要互斥地进行，这个互斥的效果是由进程自己进行控制的，如使用P、V操作来实现。实际上，对于共享存储区的互斥访问，是一个经典的同步互斥问题：读者、写者问题（在后面会讲）。

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  消息传递分为两种通信方式。直接通信方式就是要指名道姓地指明我要把消息发给哪个进程，然后操作系统会把这个消息直接挂到接收进程的消息队列里面。

  间接通信方式又叫信箱通信，操作系统会把消息放到指定的信箱当中，而消息的接收者也需要指明自己从哪个信箱当中取走消息。

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  管道通信。对于操作系统而言，管道通信的这个管道，是一个特殊的共享文件（比如你在Linux系统上是的确能够找到这一文件的），但本质上这个文件就是一个内存缓冲区，如果结合数据结构的知识来看的话，这个内存缓冲区其实就是一个循环队列。那么，如果管道写满了，写进程就会被阻塞；如果管道读空了，读进程就会被阻塞。

  此外，一个管道文件只能实现半双工通信。这类似于现实生活中的一根水管，同一时刻，水不可能既从左往右流、又从右往左流。

  所以，如果想要从左往右、从右往左的水流同时存在的话，我可以建立两个管道，实现双向同时通信。

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  读进程想要从管道读数据，只需保证一点：管道不是空的，即可。至于管道是否写满、还是只写了一部分，都无所谓，只要不是空的就能读。

  写进程同理，只要管道没满，还有空间让我可以写，就可以往管道中写数据。至于管道是完全空了、还是有一部分数据，都无所谓，只要不满就能写。