王道 —— 进程通信

1、知识总览

进程通信：进程通信是指进程之间的信息交换；

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立；

为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间；

但是进程之间的信息交互又是必须实现的，为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法；比如说手机自带的图片浏览软件，我们想把某些图片分享给微信朋友，可以直接用分享功能将其分享到微信中，从图片软件进程到微信这两个进程之间肯定是有信息交换的，因此这种信息交换是必须要实现的；

为了保证信息交换的安全性，操作系统会提供一些方法供各个进程使用；操作系统提供的进程通信包括共享存储、消息传递、管道通信；

2、共享存储

两个进程不能直接访问对方的地址空间，操作系统会对两个进程分配一个共享空间，两个进程之间的通信可以通过共现空间来完成；

需要注意的是，两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现）；

操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P、V操作）；

共享存储分为两种，第一种是基于数据结构的共享，第二种是基于存储区的共享；

2.1 基于数据结构的共享

基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级的通信方式；

2.2 基于存储区的共享

基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式更快，是一种高级通信方式；

3、消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息(Message)为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换；

一个消息由消息头和消息体组成，消息头包括：发送进程ID、接收进程IO、消息类型、消息长度等格式化的消息（计算机网络中发送的“报文”其实就是一种格式化的消息）；

消息传递分为直接通信方式和间接通信方式；

3.1 直接通信方式

直接通信方式就是把消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上；

每一个进程有一个消息缓冲队列，当A进程想给B进程发送消息时，A进程首先会创建一个格式化的消息，这个消息会通过发送原语发送给目标进程B，这个消息就会挂到目标进程B的消息缓冲队列上。

进程B会通过接收原语依次把消息缓冲队列中的消息取走，这就是直接通信方式；

3.2 间接通信方式

间接通信方式中，消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称作“信箱通信方式”。

系统会为各个通信的进程管理一个信箱，这个信箱中会有各种各样的消息，并且这些消息可能是不同进程之间通信的一些消息。具体由哪个进程发送，哪个进程接收是由消息头包含的消息决定；

如果进程A想要给进程B发送消息，进程A会用发送原语将信息发送到中间信箱，进程B会使用接收原语从信箱中取走属于自己的消息；

4、管道通信

“管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区；

• 管道只能实现半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传递。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道；
• 各进程要互斥地访问管道；
• 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞；
• 如果没写满，就不允许读；如果没读空，就不允许写；
• 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只有一个，否则可能会有读错数据的情况；