一、进程间通信的目的
- 数据传输:一个进程需要将它的数据发送给另一个进程,发送的数据量在一个字节到几M字节之间
- 共享数据:多个进程要操作共享数据,一个进程对共享数据
- 信息传递:一个进程需要向另一个进程发送消息,通知它发生了某种事件。
- 资源共享:多个进程之间共享同样的数据。为了做到这一点,需要内核提供锁和同步机制。
- 进程控制:有些进程希望完全控制另一个进程的执行,此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常,病能够及时知道它的状态改变
二、进程间通信的概念
每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的变量在另一个进程中都是看不到的,所以进程之间要交换数据必须通过内核,在内核中开辟出一块缓冲区。一个进程把自己的数据从用户空间拷贝到内核缓冲区,另一个进程再从内核缓冲区把数据读走。内核提供的这种机制称为进程间通信(IPC,Inter Process Communication)
三、进程间通信方式
Linux进程间基本的通信方式主要有:管道(pipe)(包括匿名管道和命名管道)、信号(signal)、消息队列(queue)、共享内存、信号量和套接字。
下面逐渐介绍这几种方式:
1.管道:管道的实质是一个内核缓冲区,管道的作用正如其名,需要通信的两个进程在管道的两端,进程利用管道传递信息。管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但是这个文件比较特殊,它不属于文件系统并且只存在于内存中。
管道依据是否有名字分为匿名管道和命名管道(有名管道),这两种管道有一定的区别。
匿名管道有几个重要的限制:
- 管道是半双工的,数据只能在一个方向上流动,A进程传给B进程,不能反向传递
- 管道只能用于父子进程或兄弟进程之间的通信,即具有亲缘关系的进程。
命名管道允许没有亲缘关系的进程进行通信。命名管道不同于匿名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联,这样一个进程即使与创建有名管道的进程不存在亲缘关系,只要可以访问该路径,就能通过有名管道互相通信。
2.信号:信号是软件层次上对中断机制的一种模拟,是一种异步通信方式,进程不必通过任何操作来等待信号的到达。信号可以在用户空间进程和内核之间直接交互,内核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。
信号来源:
信号事件的发生有两个来源:硬件来源,比如我们按下了键盘或者其它硬件故障;软件来源,最常用发送信号的系统函数是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函数,软件来源还包括一些非法运算等操作。
进程对信号的响应:
进程可以通过三种方式来响应信号:(1)忽略信号,即对信号不做任何处理,但是有两个信号是不能忽略的:SIGKLL和SIGSTOP;(2)捕捉信号,定义信号处理函数,当信号发生时,执行相应的处理函数;(3)执行缺省操作,Linux对每种信号都规定了默认操作。
3.消息队列:消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识,并且允许一个或多个进程向它写入与读取消息
4.共享内存:使得多个进程可以可以直接读写同一块内存空间,是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。
为了在多个进程间交换信息,内核专门留出了一块内存区,可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间。进程就可以直接读写这一块内存而不需要进行数据的拷贝,从而大大提高效率。
需要注意的是:共享内存并未提供同步机制,在一个进程结束对共享内存的写操作之前,并无自动机制可以阻止另二个进程开始对它进行读取。所以,我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问。
5.信号量:信号量实质上就是一个标识可用资源数量的计数器,它的值总是非负整数。而只有0和1两种取值的信号量叫做二进制信号量(或二值信号量),可用用来标识某个资源是否可用。
6.套接字:套接字是更为基础的进程间通信机制,与其他方式不同的是,套接字可用于不同机器之间的进程间通信。
有两种类型的套接字:基于文件的和面向网络的。
(1).Unix套接字是基于文件的,并且拥有一个“家族名字”--AF_UNIX,它代表地址家族(address family):UNIX。
(2).第二类型的套接字是基于网络的,它也有自己的家族名字--AF_INET,代表地址家族(address family):INTERNET
不管采用哪种地址家族,都有两种不同的套接字连接:面向连接的和无连接的。
(1)面向连接的套接字(SOCK_STREAM):进行通信前必须建立一个连接,面向连接的通信提供序列化的、可靠地和不重复的数据交付,而没有记录边界。
这意味着每条信息可以被拆分成多个片段,并且每个片段都能确保到达目的地,然后在目的地将信息拼接起来。
实现这种连接类型的主要协议是传输控制协议(TCP)。
(2)无连接的套接字(SOCK_DGRAM):在通信开始之前并不需要建立连接,在数据传输过程中并无法保证它的顺序性、可靠性或重复性。
然而,数据报确实保存了记录边界,这就意味着消息是以整体发送的,而并非首先分成多个片段。
由于面向连接的套接字所提供的保证,因此它们的设置以及对虚拟电路连接的维护需要大量的开销。然而,数据报不需要这些开销,即它的成本更加“低廉”
实现这种连接类型的主要协议是用户数据报协议(UDP)。