进程间的通信方式

一 进程通信概念

进程间为什么需要通信？计算机给进程在内存中分配的位置是不一样的，正是因为这种隔离，不像线程那样共享资源，因此需要通信。但是进程之间互相并不知道其他进程的位置，所以进程之间交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程一把数据从用户空间拷贝到缓冲区，进程二从缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信。
举个例子：上古时期有一个村落，地广人稀，每一户人家间隔都很远，互相不知道住在哪（进程之间不知道位置）。但是村子有村长管理，村长住的地方是村子的集会中心（内核），村长知道所有人的地址，因此不同家庭之间想要交流就需要先告诉村长，由村长把他们要讲的消息存起来（缓存区），让另一户人家来读。

二 进程间通信方式

2.1 管道/匿名管道

• 是一种半双功的通信方式，只能单向传输数据，如果双方需要通信，那么需要开两个管道
• 对于管道两边的进程来说，就是一种文件，是一种独立的文件系统，不属于任何文件系统，自成一脉并且只存在于内存中
• 由于没有名字，所以只能在具有亲缘关系的进程间通信
• 读写时，进程A将数据写入管道尾，进程B将数据从管道头读出

管道的实质

• 说白了，管道还是一种内核缓存区
• 可以将管道看成一个循环队列，首尾都是自动增加的，不可以随意修改，读空之后管道的数据就不存在了
• 如果将管道读空或者写满，读进程或者写进程就会进入等待队列，当管道中新数据写入或者有空余位置时，就唤醒读进程或者写进程

局限

• 半双工，只支持单向数据流
• 只能用于亲缘进程间
• 没有名字
• 大小有限
• 管道传送的是无格式字节流，要求进程双方传输前就约定好数据格式

2.2 有名管道（FIFO）

• 为客服无名管道的缺点而提出的有名管道
• 提供了一个路径名与之关联，以有名管道的文件形式存在内存中，通信双方只要知道该路径名便可通过路径名访问该管道实现通信
• 有名管道的名字存在文件系统中，内容存在内存中，严格遵循FIFO
• 一个进程以读方式打开管道时，另一个进程必须以写方式打开此管道，反之亦然，否则进程会阻塞

2.3 信号

• 是linux系统中进程间用于通信的一种常见方式，可以在任意时刻由一个进程发送给任意一个进程，不用管该进程是否在运行
• 如果目标进程不在执行状态，则内核会先保存信号，等该进程执行并通知内核后内核才会将信号发给该进程
• 同时目标进程还可以设置是否阻塞信号，如果阻塞，那么该信号的传递被延迟，直到阻塞取消该信号才会被发送

来源

信号主要有来源：

• 硬件层面：ctrl+c退出和硬件异常
• 软件层面：终止进程，其他进程调用kill函数，软件异常产生

2.4 消息队列

• 与管道不同，只存在于内核中，由链表组成
• 只有在内核重启或者显示删除队列时才会真正消失
• 在写入时不需要有一个进程开启同步地读出

特点

• 是消息的链表，存在于内存中并由消息队列标识符标记，有自己的格式
• 和管道一样遵循先进先出策略
• 允许多个进程同时读写消息
• 不一定要按照先进先出读取，也可以按照消息类型读取，更加灵活
• 缓存大小不受限，并且写入的消息可以带类型，因此承载更多的信息
• 目前主要有两种消息队列，一种是POSIX消息队列，一种是System V消息队列。目前System V消息队列被广泛使用。存在于系统内核，只有内核重启或者人工删除时才会队列才会被删除

2.5 共享内存

• 为了解决各种通信方式效率不高的问题，提出来一种共享内存方式，多个进程可以共享一块内存，是目前效率最高的通信方式
• 在内核中开辟一块内存，需要访问的进程可以将其映射为自己的私有地址。进程就可以直接读写这块空间，不需要拷贝数据，效率大大提高
• 多进程共享内存后，就容易出现互相干扰的问题，就和多线程共享进程内存是一个道理，因此常需要信号量来进行进程的同步和互斥

2.6 信号量

互斥

是指某资源同时只允许一个访问者进行访问，具有唯一性和排他性。但是互斥无法限制访问者对资源的访问顺序。

同步

在互斥的基础上（大部分情况下），实现访问者对资源的有序访问

信号量的实现

• 信号量的目的就是为了实现同步
• 实现方式是计数器，通过计数来保证多访问的有序性

2.7 Socket套接字

• 用于不在一台计算机，但可以通过网络连接的两台计算机上的进程实现通信
• 是tcp/ip协议中实现网络进程通信的基本单元，可以看做不同主机进程间进行通信的端点

套接字三个参数

• 本机ip地址和目标ip地址
• 使用的传输层协议（tcp/udp）
• 端口号

连接过程（类比于tcp三次握手）

• 服务器监听：服务器端并不会定位客户端套接字，而是监听自己的套接字
• 客户端请求：客户端要定义好想要通信的服务端套接字，包括ip和端口号，然后提出连接请求
• 连接确认：服务器端监听到了来自客户端的请求后，开一个新的线程把服务器端套接字描述发送给客户端，客户端确认此描述后就连接好了。然后服务器端重新进入监听状态，监听来自其他客户端套接字的请求