Linux进程间通信IPC的几种方式简介

Linux进程通信的源头

      linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T（原为American Telephone & Telegraph的缩写，也是中文译名美国电话电报公司由来）的贝尔实验室及BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“system V IPC”，通信进程局限在单个计算机内；后者则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来。

       最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号。

       System V IPC包括：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区。

       Posix IPC包括： Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。

       有两点需要简单说明一下：1）由于Unix版本的多样性，电子电气工程协会（IEEE）开发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（Portable Operating System Interface，PSOIX）。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的，而Linux从一开始就遵循POSIX标准；2）BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多Unix版本的单机IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。

        linux 所支持的各种IPC手段，在本文接下来的讨论中，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下，所有问题的讨论最终都会归结到Linux环境下的进程间通信上来。并且，对于Linux所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本），将主要介绍Posix API。

linux下进程间通信的几种主要手段

1）管道（Pipe）及有名管道（named pipe，FIFO）  

匿名管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，具有以下特点：

• 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；STREAMS管道是一个双向（全双工）管道，单个STREAMS管道就能向父、子进程提供双向数据流。Solaris支持STREAMS管道，Linux的可选附加包也提供了STREAMS管道。
• 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）；
• 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。
• 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。

两者的不同点：

（1）匿名管道它没有名字，只能用于具有亲缘关系进程间的通信。有名管道FIFO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。

（2）匿名管道对于管道两端的进程而言是一个文件，但不是Linux某种类型的文件、不属于某个文件系统，而且仅存在于内存中；pipe()函数打开了两个文件描述符，分别用于读写。有名管道提供一个路径名与之关联，是linux文件类型的一种，因FIFO文件形式存在于文件系统中。

相同点：

（1）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。

（2）单向（半双工）数据流。

（3）系统对管道和FIFO的两个限制OPEN_MAX（一个进程任意时刻打开的最大描述符数）、PIPI_BUF（可原子地写往一个管道或FIFO的最大数据量，posix要求至少512）。

4）都是随进程持续的IPC（IPC对象一直存在到打开该对象的最后一个进程关闭该对象为止。）

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。

2)Unix域协议

参考文章：UNIX域协议

       Unix域协议并不是一个实际的协议族，而是在单个主机上执行客户/服务器通信的一种方法，所使用的API就是在不同主机上执行客户/服务器通信所用的API（套接字API）。

    Unix域套接字仅仅复制数据，并不执行协议处理，不需要添加或删除网络报头，无需计算校验和，不要产生顺序号，无需发送确认报文。Unix域套接字提供流和数据报两种接口。Unix域数据报服务是可靠的，既不会丢失消息也不会传递出错。它是套接字和管道之间的混合物。

使用Unix域套接字的理由：

（1）Unix域套接字往往比通信两端位于同一主机的TCP套接字快一倍（TCPv3）。Unix域套接字仅仅复制数据，并不执行协议处理，不需要添加或删除网络报头，无需计算校验和，不要产生顺序号，无需发送确认报文。

（2）可用于在同一台主机的不同进程之间传递描述符。

（3）Unix域套接字较新的实现把客户的凭证（用户ID和组ID）提供给服务器，从而提供了额外的安全检查措施。

为了创建一对非命名的、相互连接的UNIX域套接字，用户可以使用它们面向网络的域套接字接口，也可以使用socketpair函数。

3）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signal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）。sigaction包含了信号产生的相关信息。

4）消息队列

   消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列和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。而且消息队列是随内核持续的（IPC对象会一直存在，直到内核重启或显示删除该对象为止）。

5）共享内存

参考文章：进程通信方式：共享内存区          

        mmap：Linux环境进程间通信（五）: 共享内存（上）

        System V共享内存： Linux环境进程间通信（五）: 共享内存（下）

    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，如与信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

6）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。

各种同步方式：

线程同步的几种方式：参考文章：进程同步和线程同步

7）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。

参考资料：

匿名管道和命名管道：Linux环境进程间通信（一）

信号：Linux环境进程间通信（二）: 信号（上） Linux环境进程间通信（二）: 信号（下）

消息队列：Linux环境进程间通信（三）

信号量：Linux环境进程间通信（四）

共享内存：Linux环境进程间通信（五）: 共享内存（上） Linux环境进程间通信（五）: 共享内存（下）

套接字：Linux 环境进程间通信（六）