进程间通信方式

每个进程的用户地址空间都是独立的,一般而言是不能互相访问的,但内核空间是每个进程都共享的,所以进程之间要通信必须通过内核。

管道

管道传输数据是单向的,如果想相互通信,我们需要创建两个管道才行。

|」表示的管道称为匿名管道,用完了就销毁。

对于匿名管道,它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体,也就是没有管道文件,只能通过 fork 来复制父进程 fd 文件描述符,来达到通信的目的。

另外,对于命名管道,它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道,提前创建了一个类型为管道的设备文件,在进程里只要使用这个设备文件,就可以相互通信。

不管是匿名管道还是命名管道,进程写入的数据都是缓存在内核中,另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取,同时通信数据都遵循先进先出原则

消息队列

消息队列是保存在内核中的消息链表

消息队列生命周期随内核,如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统,消息队列会一直存在,而前面提到的匿名管道的生命周期,是随进程的创建而建立,随进程的结束而销毁。

消息这种模型,两个进程之间的通信就像平时发邮件一样,你来一封,我回一封,可以频繁沟通了。

但邮件的通信方式存在不足的地方有两点,一是通信不及时,二是附件也有大小限制,这同样也是消息队列通信不足的点。

消息队列不适合比较大数据的传输,因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制,同时所有队列所包含的全部消息体的总长度也是有上限。在 Linux 内核中,会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB,它们以字节为单位,分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。

消息队列通信过程中,存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销,因为进程写入数据到内核中的消息队列时,会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程,同理另一进程读取内核中的消息数据时,会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。

共享内存

现代操作系统,对于内存管理,采用的是虚拟内存技术,也就是每个进程都有自己独立的虚拟内存空间,不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。共享内存的机制,就是拿出一块虚拟地址空间来,映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西,另外一个进程马上就能看到了,都不需要拷贝来拷贝去,传来传去,大大提高了进程间通信的速度。

信号量

用了共享内存通信方式,带来新的问题,那就是如果多个进程同时修改同一个共享内存,很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写一个地址,那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了。

为了防止多进程竞争共享资源,而造成的数据错乱,所以需要保护机制,使得共享的资源,在任意时刻只能被一个进程访问。正好,信号量就实现了这一保护机制。

信号量其实是一个整型的计数器,主要用于实现进程间的互斥与同步,而不是用于缓存进程间通信的数据

信号量表示资源的数量,控制信号量的方式有两种原子操作:

  • 一个是 P 操作,这个操作会把信号量减去 1,相减后如果信号量 < 0,则表明资源已被占用,进程需阻塞等待;相减后如果信号量 >= 0,则表明还有资源可使用,进程可正常继续执行。
  • 另一个是 V 操作,这个操作会把信号量加上 1,相加后如果信号量 <= 0,则表明当前有阻塞中的进程,于是会将该进程唤醒运行;相加后如果信号量 > 0,则表明当前没有阻塞中的进程;

P 操作是用在进入共享资源之前,V 操作是用在离开共享资源之后,这两个操作是必须成对出现的。

可以发现,信号初始化为 1,就代表着是互斥信号量,它可以保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问,这就很好的保护了共享内存。

可以发现,信号初始化为 0,就代表着是同步信号量,它可以保证进程 A 应在进程 B 之前执行。

信号量不仅可以实现临界区的互斥访问控制,还可以线程间的事件同步。

我们先来说说如何使用信号量实现临界区的互斥访问

为每类共享资源设置一个信号量 s,其初值为 1,表示该临界资源未被占用。

只要把进入临界区的操作置于 P(s) 和 V(s) 之间,即可实现进程/线程互斥:

此时,任何想进入临界区的线程,必先在互斥信号量上执行 P 操作,在完成对临界资源的访问后再执行 V 操作。由于互斥信号量的初始值为 1,故在第一个线程执行 P 操作后 s 值变为 0,表示临界资源为空闲,可分配给该线程,使之进入临界区。

若此时又有第二个线程想进入临界区,也应先执行 P 操作,结果使 s 变为负值,这就意味着临界资源已被占用,因此,第二个线程被阻塞。

并且,直到第一个线程执行 V 操作,释放临界资源而恢复 s 值为 0 后,才唤醒第二个线程,使之进入临界区,待它完成临界资源的访问后,又执行 V 操作,使 s 恢复到初始值 1。

对于两个并发线程,互斥信号量的值仅取 1、0 和 -1 三个值,分别表示:

  • 如果互斥信号量为 1,表示没有线程进入临界区;
  • 如果互斥信号量为 0,表示有一个线程进入临界区;
  • 如果互斥信号量为 -1,表示一个线程进入临界区,另一个线程等待进入。

通过互斥信号量的方式,就能保证临界区任何时刻只有一个线程在执行,就达到了互斥的效果。

信号

上面说的进程间通信,都是常规状态下的工作模式。对于异常情况下的工作模式,就需要用「信号」的方式来通知进程。

信号跟信号量虽然名字相似度 66.66%,但两者用途完全不一样

信号事件的来源主要有硬件来源(如键盘 Cltr+C )和软件来源(如 kill 命令)

进程间通信机制中唯一的异步通信机制,因为可以在任何时候发送信号给某一进程,一旦有信号产生,我们就有下面这几种,用户进程对信号的处理方式。

1.执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作,例如,上面列表中的 SIGTERM 信号,就是终止进程的意思。

2.捕捉信号。我们可以为信号定义一个信号处理函数。当信号发生时,我们就执行相应的信号处理函数。

3.忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候,就可以忽略该信号,不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的,即 SIGKILL 和 SEGSTOP,它们用于在任何时候中断或结束某一进程

Socket

前面提到的管道、消息队列、共享内存、信号量和信号都是在同一台主机上进行进程间通信,那要想跨网络与不同主机上的进程之间通信,就需要 Socket 通信了。

Socket 通信不仅可以跨网络与不同主机的进程间通信,还可以在同主机上进程间通信。

我们来看看创建 socket 的系统调用:

三个参数分别代表:

  • domain 参数用来指定协议族,比如 AF_INET 用于 IPV4、AF_INET6 用于 IPV6、AF_LOCAL/AF_UNIX 用于本机;
  • type 参数用来指定通信特性,比如 SOCK_STREAM 表示的是字节流,对应 TCP、SOCK_DGRAM 表示的是数据报,对应 UDP、SOCK_RAW 表示的是原始套接字;
  • protocal 参数原本是用来指定通信协议的,但现在基本废弃。因为协议已经通过前面两个参数指定完成,protocol 目前一般写成 0 即可;

根据创建 socket 类型的不同,通信的方式也就不同:

  • 实现 TCP 字节流通信: socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM;
  • 实现 UDP 数据报通信:socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM;
  • 实现本地进程间通信: 「本地字节流 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM,「本地数据报 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外,AF_UNIX 和 AF_LOCAL 是等价的,所以 AF_UNIX 也属于本地 socket;

针对 TCP 协议通信的 socket 编程模型

进程间通信方式_第1张图片

  • 服务端和客户端初始化 socket,得到文件描述符;
  • 服务端调用 bind,将绑定在 IP 地址和端口;
  • 服务端调用 listen,进行监听;
  • 服务端调用 accept,等待客户端连接;
  • 客户端调用 connect,向服务器端的地址和端口发起连接请求;
  • 服务端 accept 返回用于传输的 socket 的文件描述符;
  • 客户端调用 write 写入数据;服务端调用 read 读取数据;
  • 客户端断开连接时,会调用 close,那么服务端 read 读取数据的时候,就会读取到了 EOF,待处理完数据后,服务端调用 close,表示连接关闭。

这里需要注意的是,服务端调用 accept 时,连接成功了会返回一个已完成连接的 socket,后续用来传输数据。

所以,监听的 socket 和真正用来传送数据的 socket,是「两个」 socket,一个叫作监听 socket,一个叫作已完成连接 socket

成功连接建立之后,双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据,就像往一个文件流里面写东西一样。

针对 UDP 协议通信的 socket 编程模型

进程间通信方式_第2张图片

UDP 是没有连接的,所以不需要三次握手,也就不需要像 TCP 调用 listen 和 connect,但是 UDP 的交互仍然需要 IP 地址和端口号,因此也需要 bind。

对于 UDP 来说,不需要要维护连接,那么也就没有所谓的发送方和接收方,甚至都不存在客户端和服务端的概念,只要有一个 socket 多台机器就可以任意通信,因此每一个 UDP 的 socket 都需要 bind。

另外,每次通信时,调用 sendto 和 recvfrom,都要传入目标主机的 IP 地址和端口。

针对本地进程间通信的 socket 编程模型

本地 socket 被用于在同一台主机上进程间通信的场景:

  • 本地 socket 的编程接口和 IPv4 、IPv6 套接字编程接口是一致的,可以支持「字节流」和「数据报」两种协议;
  • 本地 socket 的实现效率大大高于 IPv4 和 IPv6 的字节流、数据报 socket 实现;

对于本地字节流 socket,其 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM。

对于本地数据报 socket,其 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。

本地字节流 socket 和 本地数据报 socket 在 bind 的时候,不像 TCP 和 UDP 要绑定 IP 地址和端口,而是绑定一个本地文件,这也就是它们之间的最大区别。

以上,就是进程间通信的主要机制了。你可能会问了,那线程通信间的方式呢?

同个进程下的线程之间都是共享进程的资源,只要是共享变量都可以做到线程间通信,比如全局变量,所以对于线程间关注的不是通信方式,而是关注多线程竞争共享资源的问题,信号量也同样可以在线程间实现互斥与同步:

  • 互斥的方式,可保证任意时刻只有一个线程访问共享资源;
  • 同步的方式,可保证线程 A 应在线程 B 之前执行

你可能感兴趣的:(操作系统,网络)