由浅入深探讨Linux进程间通信

由浅入深探讨Linux进程间通信(上）

前言：

最近Linux进程间通信视频课程很火爆，很多同学通过这个课程开始对Linux进程间通信原理有所了解，本文继续围绕Linux进程间通信这个主题，由浅入深讲解Linux进程间通信，让你彻底学懂Linux进程间通信。

1.进程间通信介绍

进程间通信（简称IPC）是指在多个进程之间传输数据或共享信息的机制。在操作系统中，每个进程都具有独立的地址空间和资源，为了实现进程之间的数据交换和协作，需要使用IPC机制。

• 数据交换：进程间通信可以实现在不同进程之间传递数据。

• 共享资源：进程间通信可以实现多个进程之间共享资源，如共享内存、文件、设备等。

• 进程同步：进程间通信可以用于实现进程之间的同步操作。

• 消息传递：进程间通信可以通过消息传递的方式实现进程之间的通信和协作。

  （理论知识，了解一下就行了）。

2.由浅入深探索进程间通信

2.1从最简单开始

（本文以32位CPU来讲解进程间通信）。

32位CPU能访问的地址空间范围为0x00000000-0xFFFFFFFF共4GB。

4GB分为两部分：

• 用户空间：0x00000000-0xC0000000，共3GB，用户态和内核态都能访问。

• 内核空间：0xC0000000-0XFFFFFFFF，共1GB，内核态访问。

CPU从用户态切换到内核态的方法：

• 系统调用

• 异常

• 外部设备中断

2.2 难度升级

我们在前面的基础上加入新的概念地址映射。

地址映射就是把虚拟地址转换为物理地址，通过物理地址去访问物理内存。

• CPU寻址是使用虚拟地址，必须通过地址映射将虚拟地址转换成物理地址，才能正确读写物理内存。

• 每个进程都需要维护一个虚拟地址空间表，进程被CPU选中后，CPU会去读取进程地址空间的代码段和数据段，然后执行对应的指令。

• 注意内核空间是直接映射，直接映射是指虚拟地址等同于物理地址。

直接映射区域的物理内存可以通过虚拟地址直接访问（记住这个结论）。

2.3 难度再次升级

我们以进程A和进程B为例来讲解。

首先我们思考一个问题，进程A和进程B都处于用户态能相互通信吗？

答案：不能，因为进程A和进程B的虚拟地址空间(0-3GB)需要进行地址映射，映射后进程A和进程B访问的物理内存不是同一块内存，所以进程A和进程B无法在用户态通信。

既然用户态无法通信，所以我们只能想另外的办法，我们把进程切换到内核态，看一下进程A和进程B是否能通信。

内核地址空间是直接映射，所以进程A和进程B能通过相同的虚拟地址空间访问物理内存，进程A和进程B实现通信就有了理论依据。

因为直接映射的这个机制，所有的进程的内核空间都指向同一块物理内存，所有进程共享内核代码段和数据段。

进程间通信的本质：进程之间能够访问内核空间相同的物理内存。

2.4 揭开进程间通信神秘面纱

从内核的角度来看，进程其实就是一个tast_struct对象。

task_struct对象有三个成员：

• mm_struct *mm：用来存储进程地址空间表。

• files_struct *files：用来存储进程已打开文件表，可用于管道和Posix进程间通信。

• nsproxy*nsproxy：用来存储进程命名空间信息，可用于System v进程间通信。

两个进程(task_struct对象)能够通过对象成员访问相同的物理内存区域，那么两个进程就能实现进程间通信。

进程间通信的步骤如下：

1. 通过系统调用，进程A从用户态切换到内核态。

2. 进程A切换到内核态后，进程A获取到task_struct对象成员，通过对象成员找到物理内存区域，读写物理内存区域。

3. 进程B执行步骤1，2就能和进程A通信。

3.进程间通信方法之管道

    管道是Linux进程通信的一种方式，管道的内核实现是pipe inode文件节点，pipe inode文件节点基于pipefs文件系统（伪文件系统）实现，为了方便理解，我们把pipe inode节点分为三个部分：

• 读端：对应读file。

• 写端：对应写file。

• 管道：内核空间一块内存区域，用于读写数据。

读端，写端，管道三个部分的不同组合也就产生了无名管道(pipe)和命名管道(fifo)。

无名管道和命名管道底层实现原理相同，都是基于pipe inode实现。

3.1 无名管道

无名管道不能通过文件名创建和打开pipe inode文件节点。

无名管道读端和写端都属于同一个进程已打开文件表，非亲缘关系的其他进程无法获取到读端和写端，所以无名管道不能用于非亲缘关系进程间通信。

为什么亲缘关系进程能使用无名管道通信呢？

答案：父进程调用fork函数时，把文件表复制给了子进程，子进程通过继承方式获取到了无名管道的读端和写端，所以父子进程都能往同一pipe inode读写数据，也就能完成通信。

3.2 命名管道

命名管道能通过指定的文件名来创建和打开pipe inode节点。

命名管道的读端和写端可以属于不同的进程，当然也可以属于同一进程或者父子进程。

因为命名管道是通过文件名创建和打开的，进程只要有文件名，就有了打开命名管道的钥匙，就能对管道进程操作。

使用命名管道的时候，不需要去关注进程之间的关系，只需要关注进程是否知道文件名。

最后思考一下：管道为什么满足进程间通信要求？

管道（pipe inode）属于内核空间的一块内存区域，进程(task_struct对象)能够通过文件表访问这块内存区域，所以管道满足进程间通信要求。

由浅入深探讨Linux进程间通信(中）

前言

上一篇文章由浅入深探讨Linux进程间通信（上篇）只讲解到了进程间通信方法之管道，这一篇文章继续讲解System V进程间通信，话不多说直接开始。

1.System V进程间通信实现原理

System V进程间通信需要借助Linux命名空间来实现。

1.1什么是Linux命名空间？

Linux命名空间是一种虚拟化技术，它提供了一种轻量级的虚拟化方式，可以将一个系统中的全局资源隔离开来，使得不同的进程可以拥有自己独立的资源视图。

命名空间其实就是一些列资源的集合，每个进程都需要指向这个集合，不同的进程如果指向相同的命名空间，那么进程间就能共享命名空间资源。

命名空间内核定义如下：

System V进程间通信需要用到IPC命名空间。

IPC命名空间有一个数组成员ids，该成员主要用来存储消息队列，信号量，共享内存IPC对象。

System V三种进程间通信方式（消息队列，信号量，共享内存）都是基于IPC对象实现，消息队列，信号量，共享内存都继承了IPC对象（kern_ipc_perm），学习System V进程间通信首先我们得知道IPC对象如何创建和销毁。

1.2 IPC对象创建和销毁

IPC对象创建和销毁需要通过键值（Key）来完成。

什么是IPC键值（Key）?

IPC键值（Key）是一个整型值，用于唯一标识一个IPC对象，在创建IPC对象时，需要指定一个IPC键值，进程可以使用这个IPC键值来访问该IPC对象，同一个IPC键值只能对应一个IPC对象，不同的IPC键值对应不同的IPC对象。

创建IPC对象时，首先得生成一个IPC Key，IPC Key有以下三种生成方式：

1. 使用一个随机的整数。

2. 使用IPC_PRIVATE标志生成，此种方法只能用于有亲缘关系进程。

3. 使用ftok函数生成。

生成Key后，通过Key索引ipc_namespace->ids->key_ht(哈希表)，Key主要是用来索引哈希表，如果哈希表中已经有IPC对象，直接返回IPC对象ID，否则需要创建一个新的IPC对象，并为新的IPC生成对象ID，再把IPC对象插入哈希表，新的IPC对象会以IPC对象ID为索引，插入ipc_namespace->ids->ipcs_id(radix树)。

同样IPC对象销毁也是通过Key删除哈希表IPC对象记录。

什么是IPC对象ID？

IPC对象ID是一个整数标识符，用于标识System V IPC对象（如消息队列、信号量和共享内存），IPC对象ID是由内核分配的，IPC对象主要用来索引ipc_namespace->ids->ipcs_id(radix树)，radix树主要用来加快查询效率。

2.System V消息队列

有了前面的铺垫，我们就很容理解消息队列，信号量，共享内存的实现。

• 消息队列创建

msgget函数通过Key创建消息队列并返回IPC对象ID。

• 发送消息

得到IPC对象ID后，就能通过调用msgsnd函数发送消息，发送的消息存储在msg_queue（消息队列）->q_messages（队列）。

• 接收消息

通过msgrcv函数接收消息，msgrcv函数从msg_queue（消息队列）->q_messages（队列）读取消息。

两个进程因为都指向相同的IPC命名空间，所以两个进程通过相同的Key返回同一个IPC对象ID，有了相同的ID就能通过ID进行消息发送和接收。

3.System V信号量

• 信号量创建

semget函数通过Key创建信号量并返回IPC对象ID。

• 信号量PV操作

semop函数实现信号量PV操作。

• 信号量销毁

semctl函数通过IPC_RMID命令销毁信号量。

System V信号量（sem_array）维护的是信号量数组，也就是同时支持多个信号量，所以在初始化信号量时需指定信号量数量，操作信号量时需通过数组下标指定操作的是哪个信号量。

4.System V共享内存

• 共享内存创建

semget函数通过Key创建共享内存并返回IPC对象ID。

• 共享内存映射

通过shmat函数实现内存映射，通过同一共享文件完成内存映射的内存区域，进程间可以相互访问。

• 数据拷贝

完成共享内存映射后，就能通过普通的内存拷贝函数，如：memcpy函数，实现数据的写入和读取，完成进程间通信。

• 取消共享内存内存映射

通过shmdt函数取消内存映射。

• 共享内存销毁

shmctl函数通过IPC_RMID命令销毁信号量。

System V共享内存（shmid_kernel）维护的是一个struct file对象（shm_filesem），shm_filesem为共享内存文件，用来实现内存映射，不同的进程通过相同的shm_filesem共享内存文件完成内存映射后，就能访问同一块物理内存区域，从而实现进程间通信。

最后思考一下：System V进程间通信方法为什么满足进程间通信要求？

IPC对象属于内核空间的一块内存区域，进程(task_struct对象)能够通过IPC命名空间表访问这块内存区域，所以System V进程间通信方法满足进程间通信要求。