进程之间的通信方式

前言

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。

Linux提供了以下进程通信方式：

一、管道

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。

而利用管道进行进程之间的通信，就是利用fork（）函数创造一个子进程，创建的子进程会复制父进程的文件描述符（见下图）

接着，为了明确写读端，我们只允许输出方写、接收方读（见下图）。

• 管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据
• 其实无非就是，在内核空间中缓存，然后两个进程从这个内核空间中读和写。

二、消息队列

消息队列通过内核维护的一个队列，允许多个进程以一种松耦合的方式进行通信，消息在进程间以队列的形式存在。

消息发送者可以将消息放入队列后立即返回，不需要等待接收者处理完消息。接收者可以在方便的时候从队列中读取消息。以此来达到异步通信的效果。

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，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝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，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。

缺点：

• 通信不及时
• 附件也有大小限制

三、共享内存

在操作系统中我们学过，每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。

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，如下图。这样两个进程直接共享了这一块物理内存，都可以读写。

缺点：

• 多个进程容易读写冲突

四、信号量

信号量是一种用于进程间通信的同步机制，主要用于管理进程间的资源访问，避免竞态条件。信号量的核心思想是通过信号（通常是整数）来控制对共享资源的访问。它在多进程或多线程环境中非常常用，尤其是需要协调进程之间的资源使用时。

本质上是一个计数器，这个计数器可以递增（表示释放资源）或递减（表示占用资源）。

有两个操作：

• P操作（等待或减操作，Proberen）：尝试将信号量减1，如果信号量为0，则阻塞进程，直到信号量大于0为止。

• V操作（释放或加操作，Verhogen）：将信号量加1，如果有进程在等待信号量，则唤醒这些进程。

缺点：

• 容易死锁

五、信号

以上都是常规工作状态下的工作模式，对于异常情况下的工作模式，就需要用「信号」的方式来通知进程。

信号可以在应用进程和内核之间直接交互，内核也可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些系统事件。

工作原理：

• 1. 发送信号：信号可以由操作系统、用户或其他进程发送给某个进程。比如，当用户按下Ctrl+C，系统会发送一个中断信号给正在运行的进程。进程也可以通过特定的系统调用（比如kill()）发送信号给自己或其他进程。
• 2. 接收与处理信号：当进程接收到信号时，操作系统会暂停该进程的当前操作，并立即处理这个信号。如果进程有专门的处理函数，系统会调用这个函数来处理信号。处理完毕后，进程会继续执行之前中断的任务。
• 3. 信号的阻塞与解除阻塞：进程可以暂时阻塞某些信号，这意味着这些信号在被阻塞时不会立即处理。等到关键操作完成后，再解除阻塞并处理这些信号。这样可以避免在关键时刻被打断。
• 4. 信号的忽略与默认处理：如果进程不希望处理某些信号，可以选择忽略它们。但某些重要的信号（如SIGKILL）不能被忽略，操作系统会强制执行这些信号的默认操作（通常是终止进程）。

缺点：

• 传达有限
• 非实时
• 信号丢失

六、Socket

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。

实际上，Socket通信不仅可以跨网络与不同主机的进程间通信，还可以在同主机上进程间通信。

参考：

5.2 进程间有哪些通信方式？ | 小林coding