linux/进程间通信

原帖发表在IBM的developerworks网站上，是一个系列的文章，作者郑彦兴，通过讲解和例子演示了Linux中几种IPC的使用方式，我觉得很好，在这里做一个保留，能看完的话Linux IPC的基础是没有问题的了。
一）Linux环境进程间通信（一）管道及有名管道
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part1/
二）Linux环境进程间通信（二）: 信号
上：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index1.html
下：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part2/index2.html
三）Linux环境进程间通信（三）消息队列
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part3/
四）Linux环境进程间通信（四）信号灯
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part4/
五）Linux环境进程间通信（五）: 共享内存
上：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html
下：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index2.html

六）Linux环境进程间通信（六）: socket

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/

 

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linux下进程间通信的几种主要手段简介：

管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于 进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；
报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。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节流以及缓冲区大小受限等缺点。
共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

只支持单向数据流；
只能用于具有亲缘关系的进程之间；
没有名字；
管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；

管道应用的一个重大限制是它没有名字，因此，只能用于具有亲缘关系的进程间通信，在有名管道（named pipe或FIFO）提出后，该限制得到了克服。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间），因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

管道常用于两个方面：（1）在shell中时常会用到管道（作为输入输入的重定向），在这种应用方式下，管道的创建对于用户来说是透明的；（2）用于具有亲缘关系的进程间通信，用户自己创建管道，并完成读写操作。

FIFO可以说是管道的推广，克服了管道无名字的限制，使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。

管道和FIFO的数据是字节流，应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议"，采用传播具有特定意义的消息。

要灵活应用管道及FIFO，理解它们的读写规则是关键。

一、信号及信号来源

信号本质

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，可以看作是异步通知，通知接收信号的进程有哪些事情发生了。信号机制经过POSIX实时扩展后，功能更加强大，除了基本通知功能外，还可以传递附加信息。

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。

 

三、进程对信号的响应

进程可以通过三种方式来响应一个信号：（1）忽略信号，即对信号不做任何处理，其中，有两个信号不能忽略：SIGKILL及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，详细情况请参考[2]以及其它资料。注意，进程对实时信号的缺省反应是进程终止。

Linux究竟采用上述三种方式的哪一个来响应信号，取决于传递给相应API函数的参数。

一、信号生命周期

从信号发送到信号处理函数的执行完毕

对于一个完整的信号生命周期(从信号发送到相应的处理函数执行完毕)来说，可以分为三个重要的阶段，这三个阶段由四个重要事件来刻画：信号诞生；信号在进程中注册完毕；信号在进程中的注销完毕；信号处理函数执行完毕。相邻两个事件的时间间隔构成信号生命周期的一个阶段。

 

消息队列（也叫做报文队列）能够克服早期unix通信机制的一些缺点。作为早期unix通信机制之一的信号能够传送的信息量有限，后来虽然POSIX 1003.1b在信号的实时性方面作了拓广，使得信号在传递信息量方面有了相当程度的改进，但是信号这种通信方式更像"即时"的通信方式，它要求接受信号的进程在某个时间范围内对信号做出反应，因此该信号最多在接受信号进程的生命周期内才有意义，信号所传递的信息是接近于随进程持续的概念（process-persistent），见 附录 1；管道及有名管道及有名管道则是典型的随进程持续IPC，并且，只能传送无格式的字节流无疑会给应用程序开发带来不便，另外，它的缓冲区大小也受到限制。

消息队列就是一个消息的链表。可以把消息看作一个记录，具有特定的格式以及特定的优先级。对消息队列有写权限的进程可以向中按照一定的规则添加新消息；对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中读走消息。消息队列是随内核持续的（参见 附录 1）。

 

三、消息队列的限制

每个消息队列的容量（所能容纳的字节数）都有限制，该值因系统不同而不同。

小结：

消息队列与管道以及有名管道相比，具有更大的灵活性，首先，它提供有格式字节流，有利于减少开发人员的工作量；其次，消息具有类型，在实际应用中，可作为优先级使用。这两点是管道以及有名管道所不能比的。同样，消息队列可以在几个进程间复用，而不管这几个进程是否具有亲缘关系，这一点与有名管道很相似；但消息队列是随内核持续的，与有名管道（随进程持续）相比，生命力更强，应用空间更大。

 

信号灯与其他进程间通信方式不大相同，它主要提供对进程间共享资源访问控制机制。相当于内存中的标志，进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源，同时，进程也可以修改该标志。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。

一、信号灯概述

信号灯与其他进程间通信方式不大相同，它主要提供对进程间共享资源访问控制机制。相当于内存中的标志，进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源，同时，进程也可以修改该标志。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。信号灯有以下两种类型：

二值信号灯：最简单的信号灯形式，信号灯的值只能取0或1，类似于互斥锁。
注：二值信号灯能够实现互斥锁的功能，但两者的关注内容不同。信号灯强调共享资源，只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号灯的值；互斥锁更强调进程，占用资源的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。
计算信号灯：信号灯的值可以取任意非负值（当然受内核本身的约束）。

五、信号灯的限制

1、 一次系统调用semop可同时操作的信号灯数目SEMOPM，semop中的参数nsops如果超过了这个数目，将返回E2BIG错误。SEMOPM的大小特定与系统，redhat 8.0为32。

2、 信号灯的最大数目：SEMVMX，当设置信号灯值超过这个限制时，会返回ERANGE错误。在redhat 8.0中该值为32767。

3、 系统范围内信号灯集的最大数目SEMMNI以及系统范围内信号灯的最大数目SEMMNS。超过这两个限制将返回ENOSPC错误。redhat 8.0中该值为32000。

4、 每个信号灯集中的最大信号灯数目SEMMSL，redhat 8.0中为250。 SEMOPM以及SEMVMX是使用semop调用时应该注意的；SEMMNI以及SEMMNS是调用semget时应该注意的。SEMVMX同时也是semctl调用应该注意的。

 

共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。

采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，而共享内存则只拷贝两次数据[1]：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。实际上，进程之间在共享内存时，并不总是读写少量数据后就解除映射，有新的通信时，再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。

Linux的2.2.x内核支持多种共享内存方式，如mmap()系统调用，Posix共享内存，以及系统V共享内存。linux发行版本如Redhat 8.0支持mmap()系统调用及系统V共享内存，但还没实现Posix共享内存，本文将主要介绍mmap()系统调用及系统V共享内存API的原理及应用。

 

二、mmap()及其相关系统调用

mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以向访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。

注：实际上，mmap()系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。

结论：

共享内存允许两个或多个进程共享一给定的存储区，因为数据不需要来回复制，所以是最快的一种进程间通信机制。共享内存可以通过mmap()映射普通文件（特殊情况下还可以采用匿名映射）机制实现，也可以通过系统V共享内存机制实现。应用接口和原理很简单，内部机制复杂。为了实现更安全通信，往往还与信号灯等同步机制共同使用。

共享内存涉及到了存储管理以及文件系统等方面的知识，深入理解其内部机制有一定的难度，关键还要紧紧抓住内核使用的重要数据结构。系统V共享内存是以文件的形式组织在特殊文件系统shm中的。通过shmget可以创建或获得共享内存的标识符。取得共享内存标识符后，要通过shmat将这个内存区映射到本进程的虚拟地址空间。

一个套接口可以看作是进程间通信的端点（endpoint），每个套接口的名字都是唯一的（唯一的含义是不言而喻的），其他进程可以发现、连接并且与之通信。通信域用来说明套接口通信的协议，不同的通信域有不同的通信协议以及套接口的地址结构等等，因此，创建一个套接口时，要指明它的通信域。比较常见的是unix域套接口（采用套接口机制实现单机内的进程间通信）及网际通信域。

 

5、网络编程中的其他重要概念

下面列出了网络编程中的其他重要概念，基本上都是给出这些概念能够实现的功能，读者在编程过程中如果需要这些功能，可查阅相关概念。

（1）、I/O复用的概念

I/O复用提供一种能力，这种能力使得当一个I/O条件满足时，进程能够及时得到这个信息。I/O复用一般应用在进程需要处理多个描述字的场合。它的一个优势在于，进程不是阻塞在真正的I/O调用上，而是阻塞在select()调用上，select()可以同时处理多个描述字，如果它所处理的所有描述字的I/O都没有处于准备好的状态，那么将阻塞；如果有一个或多个描述字I/O处于准备好状态，则select()不阻塞，同时会根据准备好的特定描述字采取相应的I/O操作。

（2）、Unix通信域

前面主要介绍的是PF_INET通信域，实现网际间的进程间通信。基于Unix通信域（调用socket时指定通信域为PF_LOCAL即可）的套接口可以实现单机之间的进程间通信。采用Unix通信域套接口有几个好处：Unix通信域套接口通常是TCP套接口速度的两倍；另一个好处是，通过Unix通信域套接口可以实现在进程间传递描述字。所有可用描述字描述的对象，如文件、管道、有名管道及套接口等，在我们以某种方式得到该对象的描述字后，都可以通过基于Unix域的套接口来实现对描述字的传递。接收进程收到的描述字值不一定与发送进程传递的值一致（描述字是特定于进程的），但是特们指向内核文件表中相同的项。

（3）、原始套接口

原始套接口提供一般套接口所不提供的功能：

原始套接口可以读写一些用于控制的控制协议分组，如ICMPv4等，进而可实现一些特殊功能。
原始套接口可以读写特殊的IPv4数据包。内核一般只处理几个特定协议字段的数据包，那么一些需要不同协议字段的数据包就需要通过原始套接口对其进行读写；
通过原始套接口可以构造自己的Ipv4头部，也是比较有意思的一点。

 

创建原始套接口需要root权限。

（4）、对数据链路层的访问

对数据链路层的访问，使得用户可以侦听本地电缆上的所有分组，而不需要使用任何特殊的硬件设备，在linux下读取数据链路层分组需要创建SOCK_PACKET类型的套接口，并需要有root权限。

（5）、带外数据（out-of-band data）

如果有一些重要信息要立刻通过套接口发送（不经过排队），请查阅与带外数据相关的文献。

（6）、多播

linux内核支持多播，但是在默认状态下，多数linux系统都关闭了对多播的支持。因此，为了实现多播，可能需要重新配置并编译内核。具体请参考[4]及[2]。

结论：linux套接口编程的内容可以说是极大丰富，同时它涉及到许多的网络背景知识，有兴趣的读者可在[2]中找到比较系统而全面的介绍。

至此，本专题系列（linux环境进程间通信）全部结束了。实际上，进程间通信的一般意义通常指的是消息队列、信号灯和共享内存，可以是posix的，也可以是SYS v的。本系列同时介绍了管道、有名管道、信号以及套接口等，是更为一般意义上的进程间通信机制。