『APUE自学笔记』进程间通信

IPC概述

• 进程间实现数据共享容易吗？

如果进程空间之间有可以共享的交叠空间的话，进程间可以通过这个交叠的空间，很容易的就能实现数据共享。但是实际情况是，每个进程的进程空间是完全独立的，进程空间没有任何的交叠，所以实现数据共享的难度很高。

• 为什么进程空间是完全独立的?

每个进程的虚拟地址范围虽然都是相同的（由0~2^32）但是各个进程通过内存映射机制，映射一段独立的物理内存。所以进程间互相独立。

• 让每个进程拥有独立进程空间的好处?

最关键的好处就是防止别人攻击（程序互相干扰）。如果病毒、木马被做成应用程序，那么它只能运行在OS所提供的独立的进程空间里面，在这种情况下，它还真是没办法去攻击别人，所以现在根本就不存在应用级的木马和病毒（应用程序形式的木马和病毒）。现在的木马和病毒如果真想搞事的话，只能是系统级的木马和病毒，就是木马和病毒能够直接攻击OS，以实现攻击的目的。

• 独立进程空间的缺点?

数据共享困难。

• 进程间通信的原理

OS作为所有进程共享的第三方，会提供相关的机制，以实现进程间数据的转发，达到数据共享的目的。

• Linux提供的进程间通信方式有哪些

1. 信号（非精确通信）
2. 管道（有名、匿名）
3. system V IPC（消息队列、共享内存、信号量）
4. socket

匿名管道

• 通信原理

在内核中开辟一段缓冲区，通信的进程通过共享这个缓冲区实现通信。

• 为什么叫无名管道?

作为共享介质的内核缓冲区没有名字，可以看做是一个匿名的文件。

• 如果管道是匿名的，那还如何被open？

由于没有文件名，因此进程没办法使用open打开管道文件，所以就只能让父进程先调用pipe创建管道，并得到读写管道的文件描述符，然后再fork出子进程，让子进程通过继承父进程打开的文件描述符，父子进程就能操作同一个管道，从而实现通信。

• 使用步骤

1. 父进程在fork之前先调用pipe创建无名管道，并获取读、写文件描述符；
2. fork创建出子进程，子进程继承无名管道读、写文件描述符；
3. 父子进程使用各自管道的读写文件描述符进行读写操作，即可实现通信；
4. 为了避免干扰，我们通常会把没有使用的文件描述关闭。

• SIGPIPE信号

写管道时，如果管道所有的读端的fd都被close的话，向管道write数据的进程会被内核发送一个SIGPIPE信号，发这个信号的目的就是想告知“管道所有的read通道都被关闭了”。由于这个信号的默认动作是终止，所以收到这个信号的进程会被终止。

• 单个无名管道为什么无法实现双向通信？

因为自己发送给对方的数据，会被自己给抢读到。比如生产-消费者模型，如果通信双方既是生产者也是消费者，那么就无法判断缓冲区的数据该由谁来消费。

• 如何使用无名管道实现双向通信？

一个不行，就用俩。一个无名管道用于读，一个无名管道用于写。

• 匿名管道的两个主要缺点：

1. 近亲。无法用于非亲缘关系的进程
2. 单向。无法实现多对多的通信

命名管道(FIFO)

• 本质是一个普通文件，在文件系统中可见。
• 同样也会收到SIGPIPE，当一方收到SIGPIPE后，应当关闭FIFO文件。
• 使用步骤：

1. 进程调用mkfifo创建命名管道
2. open打开有名管道
3. read/write读写管道进行通信
   注意：（为保证管道一定被创建，两个进程最好都创建管道，谁先运行就谁先创建，后运行的发现管道已存在，则直接open打开使用）

System V IPC

• 什么是System V IPC

前面讲的无名管道和有名管道，都是UNIX系统早期提供的比较原始的一种进程间通信（IPC）方式，早到Unix系统设计之初就有了。在Unix系统升级到第5版本时，提供了三种新的IPC通信方式，分别是：

1. 消息队列
2. 信号量
3. 共享内存

后来的Linux也继承了unix的这三个通信方式。

System V IPC不再以文件的形式存在，因此没有文件描述符这个东西（故不能read/write），但是它有自己专用的“描述符”。

• System V IPC对象的特点：

1. 独立于进程而存在，即进程关闭后，IPC对象仍存在。
2. 如何查看IPC对象？使用ipcs命令即可查看。
3. 如何删除IPC对象？①重启OS、②系统API、③ipcs命令。
4. IPC对象的标识符皆可用ftok()来生成。

消息队列

• 本质

由内核创建的用于存放消息的链表，由于是存放消息的，所以就把这个链表称为了消息队列。

• 收发数据的过程

a）发送消息
1° 封装一个消息包。这个消息包其实就是如下类型的一个结构体变量，封包时将消息编号和消息正文写到结构体的成员中。
struct msgbuf { long mtype; /* 消息编号，必须>0*/ char mtext[msgsz]; /* 消息内容*/ };
2° 调用相应的API发送消息。调用API时通过消息队列的“标识符”找到对应的消息队列，然后将消息包发送给消息队列，消息包（存放消息的结构体变量）会被作为一个链表节点插入链表。

b）接收消息，通过“消息队列标识符”+“消息的编号”确定一条消息的身份。“消息队列”有点像信息公告牌，发送信息的人把某编号的消息挂到公告牌上，接收消息的人自己到公告牌上去取对应编号的消息，如此，发送者和接受者之间就实现了通信。

• 优点

易于实现网状交叉通信。异步化、解耦、削峰。

共享内存

• 原理：

让OS在物理内存上开辟出一大段缓存空间。让各自进程空间与开辟出的缓存空间建立映射关系。

• 与管道、消息队列的比较

对于小数据量的通信来说，使用管道和消息队列这种使用API读写的通信方式很合适，但是如果进程涉及到超大量的数据通信时，必须使用“共享内存”这种直接使用地址操作的通信方式，因为如果频繁使用系统API来读写的话，效率会非常的低。而共享内存仅在建立共享内存时需要系统调用，建立完成后，所有的访问都被处理为常规的内存访问，不再需要内核的帮助，故效率最高。

• 两个特有API：

shmat()将共享内存连接到进程的虚拟空间中。
shmdt()将共享内存从进程的虚拟空间中分离。

信号量

• 互斥

对于互斥操作来说，多进程共享操作时，多个进程间不关心操作的先后顺序，它们只希望自己在操作时别人不能操作。就算当前正在操作的进程它的时间片到了，切换到了其它进程上，但是当该进程检测到上一个进程还没有操作完时，该进程在当前的时间片内会休眠，直到再次切换会上一个进程，将操作完成后再切换回来，此时才能进行操作。

• 同步

同步其实本身就包含了互斥，不过同步不仅仅只互斥，同步对于谁先操作、谁后操作的先后顺序有要求，比如规定A->B->C的操作顺序，绝对不能出现这操作顺序以外的顺序。

• 思考：既然信号量是一种加锁机制，那为什么会被归到了进程间通信里面？

资源保护时，某个进程的操作没有完全完成之前，别人是不能操作的，那么进程间必须相互知道对方的操作状态，必须会涉及到通信过程。所以信号量实现资源保护的本质就是，通过通信让各个进程了解到操作状态以判断自己是否能够进行操作。