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进程间的通信

管道

匿名管道

匿名管道的⽣命周期,是随进程的创建⽽建⽴,随进程的结束⽽销毁
 

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描述符 fd[1] 。注意,这个匿名管道是特殊的⽂件,只存在于内存,不存于⽂件系统中。

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。
 

匿名管道的两个文件描述符都在一个进程,怎么进行进程间通信?

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。

问题:两端都能写入和读出,易造成混乱,

解决:建立两个管道单向传输

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。
 

对于命名管道,它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道,提前创建了⼀个类型为管
道的设备⽂件,在进程⾥只要使⽤这个设备⽂件,就可以相互通信。
 

消息队列

消息队列⽣命周期随内核,如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统
 

消息队列的通信模式就可以解决。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,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,不像管道是⽆格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体,内核就会把这个消息体删除。
 

不足之处:

  • ⼀是通信不及时,
  • ⼆是附件也有⼤⼩限制
  • 存在⽤户态与内核态之间的数据拷⻉开销
     

因为进程写⼊数据到内核中的消息队列时,会发⽣从⽤户态拷⻉数据到内核态的过程,同理另⼀进程读取内核中的消息数据时,会发⽣从内核态拷⻉数据到⽤户态的过程
 

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⻉过程。

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。
 

信号量

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,在任意时刻只能被⼀个进程访问。正好, 信号量就实现了这⼀保护机制。
 

信号量其实是⼀个整型的计数器,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通信的数据。
 

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:

  • ⼀个是 P 操作,这个操作会把信号量减去 1,相减后如果信号量 < 0,则表明资源已被占⽤,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,进程可正常继续执⾏。
  • 另⼀个是 V 操作,这个操作会把信号量加上 1,相加后如果信号量 <= 0,则表明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 操作是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。
 

信号

信号是进程间通信机制中唯⼀的异步通信机制,因为可以在任何时候发送信号给某⼀进程,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。

  • 执⾏默认操作。 Linux 对每种信号都规定了默认操作,例如,上⾯列表中的 SIGTERM 信号,就是终⽌进程的意思。
  • 捕捉信号。我们可以为信号定义⼀个信号处理函数。当信号发⽣时,我们就执⾏相应的信号处理函数。
  • 忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候,就可以忽略该信号,不做任何处理。有两个信号是应⽤进程⽆法捕捉和忽略的,即 SIGKILL 和 SEGSTOP ,它们⽤于在任何时候中断或结束某⼀进程。
     

Socket

跨网络通信

前⾯提到的管道、消息队列、共享内存、信号量和信号都是在同⼀台主机上进⾏进程间通信,那要想跨⽹络与不同主机上的进程之间通信,就需要 Socket 通信了。
 

根据创建 socket 类型的不同,通信的⽅式也就不同:

  • 实现 TCP 字节流通信: socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM;
  • 实现 UDP 数据报通信: socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM;
  • 实现本地进程间通信: 「本地字节流 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM,「本地数据报 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外, AF_UNIX 和 AF_LOCAL 是等价的,所以AF_UNIX 也属于本地 socket;

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