apue学习第二十一天——IPC基础（第十五章）

前言：IPC部分写了前言，彰显一下对此部分的重视。这部分的知识总结取自《UNIX环境高级编程的》第14、15章，《UNIX网络编程 卷二：进程间通信》，以及部分博客。APUE书中对IPC的介绍模糊不清，且只讲了XSI IPC的实现（虽然和POSIX IPC大同小异）；好在作者W. Richard Stevens在他的另一本书UNPv2中进行了详细论述。

在接下来的几篇博文中，首先会介绍IPC基础，接着介绍管道和FIFO、三种IPC（消息队列、信号量、共享内存），最后通过生产者消费者问题（从易到难的5种）来对IPC同步机制进行详细论述。

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IPC，Interprocess Communication，进程间通信，描述的是不同进程之间message passing（消息传递）与synchronization（同步）机制。

1. 历史

UNIX在相关方面的演变历史，可以帮助我们更清晰的认识其各方面的特征，在message passing方面，按时间如下：

• pipe（管道），用于具有父子关系的进程间的消息传递；
• named pipe，即FIFO，后来被引入，解决了unrelated进程间的传递问题；
• message queue（消息队列），IPC三剑客之一，被加入标准，用在同一主机上不同进程间的消息传递；
• RPC（Remote Procedure Call），远程计算机间的函数调用，如java RMI。

类似的，synchronization的历史演变也挺有意思：

• recording locking（记录锁），或者叫byte-range locking可能更合适，它用于锁定文件中的一定区域（也可以是整个文件）；
• semaphore（信号量），IPC三剑客之二；
• shared memory（共享内存），IPC三剑客之三，IPC三剑客被一同纳入标准；
• mutex & condition variable（互斥锁和条件变量），POSIX线程标准定义的两种同步形式，也能提供不同进程间的同步；
• read-write lock（读写锁）。

这样，关于UNIX在消息传递和同步这两方面，我们就扯出了两条线：

• message passing：pipe --> FIFO --> 消息队列 --> RPC
• synchronization: 记录锁 --> 信号量 --> 共享内存 --> mutex&cond_var --> 读写锁

当然还有像Door（门）、Socket（套接字）等IPC类型都没提及；由于一些相似性，把消息队列、信号量和共享内存划到一起，我姑且把它们叫做“IPC三剑客”吧！

2. 标准

在上面的历史演变中，有一个词叫“标准”，那么有哪些标准呢？

在UNIX的发展中，主要有下面标准：

• POSIX（Portable Operating System Interface），可移植操作系统接口，我们对它已经很熟悉了；
• Open Group（由X/Open公司和OSF开放软件基金会合并），XSI（X/Open System Interface）自然对应上了；

所以，针对IPC标准来说，自然分出了 POSIX IPC 和 XSI IPC（UNP书中是 System V IPC），由于这两种标准目前都在使用着，所以，我们的阐述不会拘泥于具体接口函数。关于POSIX的具体阐述，请参考以下两篇：

【什么是XSI兼容系统：http://fengliqiang.blogspot.com/2012/06/xsi.html】

【POSIX标准和XSI扩展：http://blog.csdn.net/mydo/article/details/8606385】

3. POSIX IPC 与 XSI IPC

我们通过下面两张表格，来看这两种标准在IPC头文件与函数接口上的不同：

首先，POSIX IPC

我们看，POSIX IPC的头文件是：<mqueue.h>, <semaphore.h>, <sys/mman.h>；

XSI IPC，

XSI IPC的头文件是<sys/msg.h>, <sys/sem.h>, <sys/shm.h>。

关于具体的实现，两种标准还是大同小异的。那么接下来，我们需要看的是这些IPC类型的一些特点，这些特点对于理解它们的作用很重要。

4. IPC的一些特点

（1）Persistence of IPC Objects（IPC对象的持续性）

什么是persistence？意思就是，有些IPC对象会随着进程的终止的消失；有些会随着系统的关闭而消失；有些会存在于文件系统中，除非你显式地删除它，否则它会一直存在。在下图中，我们可以看到三种类型的IPC object persistence：

下面，我们对照着各种IPC类型来说明上述三种persistence：

• process-persistent：比如pipe和FIFO，进程创建它们的时候开始使用，一旦进程终止，它们也将消失；
• kernel-persistent：除非关闭系统或显式删除，这些IPC类型不会随着进程的终止而消失。所以，像消息队列、信号量和共享内存，可以预先初始化它们，一旦它们被创建，就在那里了，然后，不同进程可以使用它们而不必非要在进程中创建；
• filesystem-persistent：有时候在POSIX标准中，也可以把“IPC三剑客”设为此类型；

像以前提到的线程同步的各种锁，以及socket都是process-persistent的。其实最后说起来，好像也就“IPC三剑客”是kernel-persistent（及以上）的。

（2）Name Space

name（或identifier）很重要，因为，如果两个unrelated的进程要通信的话，必须通过name找到同一个IPC对象，才能进行下一步的通信。当然，对于父子进程的pipe通信来说，两个进程互相知道共有pipe的存在，所以就不需要pipe的name了。

那么，什么叫name space呢？对于一种给定的IPC类型（比如说共享内存），它所有可能name的集合就是name space（这个name space与C中的namespace好像有点区别）。

• FIFO、“IPC三剑客”、记录锁、socket当然都有name space了；
• pipe，mutex，cond_var等等都没有name space；

注意：POSIX标准中有个memory-based semaphore是没有name的，这个细节我们不予讨论。

（3）UNIX进程间共享信息的三种方式

• 左，共享文件信息，进程读写必须调用read、write、lseek等穿越kernel来进行，当然同步是必须的；
• 中，共享kernel中的信息，比如pipe、消息队列、信号量（严格说应该是XSI下的，见UNPv2 图1-1），每次操作需进行一次system call；
• 右，典型的共享内存，直接通过指针访问内存，不需进入kernel的system call；

6. IPC的现状

随着时代的发展，有些IPC类型用的很少了，有些始终在使用着，下面给出的是APUE上的建议：

• 关于pipe和FIFO，这两种基本技术仍有效地用于大量应用程序中；
• 尽可能避免使用消息队列以及信号量，替代它们的是，全双工管道和记录锁，因为它们的使用更简单；
• 共享存储仍有应用价值。