Linux系统编程面试题

Linux IPC机制

管道(PIPE, FIFO(命名管道))、信号 （signal）、消息队列（Message queues）、信号量（Semaphore）、共享内存（Share Memory）、内存映射（Memory Map）、套接字。

管道 （PIPE）: 管道实际是用于进程间通信的一段共享内存，创建管道的进程称为管道服务器，连接到一个管道的进程为管道客户机。一个进程在向管道写入数据后，另一进程就可以从管道的另一端将其读取出来。
管道的特点：
a. 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；
b. 只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。比如fork或exec创建的新进程，在使用exec创建新进程时，需要将管道的文件描述符作为参数传递给exec创建的新进程。当父进程与使用fork创建的子进程直接通信时，发送数据的进程关闭读端，接受数据的进程关闭写端。
c. 单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
d. 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道和命名管道的区别： 对于命名管道FIFO来说，IO操作和普通管道IO操作基本一样，但是两者有一个主要的区别，在命名管道中，管道可以是事先已经创建好的，比如我们在命令行下执行
mkfifo myfifo
就是创建一个命名通道，我们必须用open函数来显示地建立连接到管道的通道，而在管道中，管道已经在主进程里创建好了，然后在fork时直接复制相关数据或者是用exec创建的新进程时把管道的文件描述符当参数传递进去。
一般来说FIFO和PIPE一样总是处于阻塞状态。也就是说如果命名管道FIFO打开时设置了读权限，则读进程将一直阻塞，一直到其他进程打开该FIFO并向管道写入数据。这个阻塞动作反过来也是成立的。如果不希望命名管道操作的时候发生阻塞，可以在open的时候使用O_NONBLOCK标志，以关闭默认的阻塞操作。

信号 （signal）: 信号机制是unix系统中最为古老的进程之间的通信机制，用于一个或几个进程之间传递异步信号。信号可以有各种异步事件产生，比如键盘中断等。shell也可以使用信号将作业控制命令传递给它的子进程。

消息队列（Message queues）: 消息队列是内核地址空间中的内部链表，通过linux内核在各个进程直接传递内容，消息顺序地发送到消息队列中，并以几种不同的方式从队列中获得，每个消息队列可以用IPC标识符唯一地进行识别。内核中的消息队列是通过IPC的标识符来区别，不同的消息队列直接是相互独立的。每个消息队列中的消息，又构成一个独立的链表。
消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字符流。

信号量（Semaphore）： 信号量是一种计数器，用于控制对多个进程共享的资源进行的访问。它们常常被用作一个锁机制，在某个进程正在对特定的资源进行操作时，信号量可以防止另一个进程去访问它。
信号量是特殊的变量，它只取正整数值并且只允许对这个值进行两种操作：等待（wait）和信号（signal）。（P、V操作，P用于等待，V用于信号）
p(sv):如果sv的值大于0，就给它减1；如果它的值等于0，就挂起该进程的执行
V(sv):如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行；如果没有其他进程因等待sv而挂起，则给它加1
简单理解就是P相当于申请资源，V相当于释放资源 。

共享内存（Share Memory）： 共享内存是在多个进程之间共享内存区域的一种进程间的通信方式，由IPC为进程创建的一个特殊地址范围，它将出现在该进程的地址空间（这里的地址空间具体是哪个地方？）中。其他进程可以将同一段共享内存连接到自己的地址空间中。所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像它们是malloc分配的一样。如果一个进程向共享内存中写入了数据，所做的改动将立刻被其他进程看到。
共享内存是IPC最快捷的方式，因为共享内存方式的通信没有中间过程，而管道、消息队列等方式则是需要将数据通过中间机制进行转换。共享内存方式直接将某段内存段进行映射，多个进程间的共享内存是同一块的物理空间，仅仅映射到各进程的地址不同而已，因此不需要进行复制，可以直接使用此段空间。
注意：共享内存本身并没有同步机制，需要程序员自己控制。

内存映射（Memory Map）: 内存映射文件，是由一个文件到一块内存的映射。内存映射文件与虚拟内存有些类似，通过内存映射文件可以保留一个地址的区域，
同时将物理存储器提交给此区域，内存文件映射的物理存储器来自一个已经存在于磁盘上的文件，而且在对该文件进行操作之前必须首先对文件进行映射。使用内存映射文件处理存储于磁盘上的文件时，将不必再对文件执行I/O操作。每一个使用该机制的进程通过把同一个共享的文件映射到自己的进程地址空间来实现多个进程间的通信（这里类似于共享内存，只要有一个进程对这块映射文件的内存进行操作，其他进程也能够马上看到）。
使用内存映射文件不仅可以实现多个进程间的通信，还可以用于处理大文件提高效率。因为我们普通的做法是把磁盘上的文件先拷贝到内核空间的一个缓冲区再拷贝到用户空间（内存），用户修改后再将这些数据拷贝到缓冲区再拷贝到磁盘文件，一共四次拷贝。如果文件数据量很大，拷贝的开销是非常大的。那么问题来了，系统在在进行内存映射文件就不需要数据拷贝？mmap()确实没有进行数据拷贝，真正的拷贝是在在缺页中断处理时进行的，由于mmap()将文件直接映射到用户空间，所以中断处理函数根据这个映射关系，直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，所以只进行一次数据拷贝。效率高于read/write。

**套接字：**套接字机制不但可以单机的不同进程通信，而且使得跨网机器间进程可以通信。
套接字的创建和使用与管道是有区别的，套接字明确地将客户端与服务器区分开来，可以实现多个客户端连到同一服务器。
服务器套接字连接过程描述：
首先，服务器应用程序用socket创建一个套接字，它是系统分配服务器进程的类似文件描述符的资源。 接着，服务器调用bind给套接字命名。这个名字是一个标示符，它允许linux将进入的针对特定端口的连接转到正确的服务器进程。 然后，系统调用listen函数开始接听，等待客户端连接。listen创建一个队列并将其用于存放来自客户端的进入连接。 当客户端调用connect请求连接时，服务器调用accept接受客户端连接，accept此时会创建一个新套接字，用于与这个客户端进行通信。
客户端套接字连接过程描述：
客户端首先调用socket创建一个未命名套接字，让后将服务器的命名套接字作为地址来调用connect与服务器建立连接。
只要双方连接建立成功，我们就可以像操作底层文件一样来操作socket套接字实现通信。