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初學(xué)操作系統(tǒng)的時候，我就一直懵逼，為啥進(jìn)程同步與互斥機(jī)制里有信號量機(jī)制，進(jìn)程通信里又有信號量機(jī)制，然后你再看網(wǎng)絡(luò)上的各種面試題匯總或者博客，你會發(fā)現(xiàn)很多都是千篇一律的進(jìn)程通信機(jī)制有哪些?進(jìn)程同步與互斥機(jī)制鮮有人問津。看多了我都想把 CSDN 屏了.....，最后知道真相的我只想說為啥不能一篇博客把東西寫清楚，沒頭沒尾真的浪費時間。

希望這篇文章能夠拯救某段時間和我一樣被繞暈的小伙伴。上篇文章我已經(jīng)講過進(jìn)程間的同步與互斥機(jī)制，各位小伙伴看完這個再來看進(jìn)程通信比較好。

全文脈絡(luò)思維導(dǎo)圖如下：

1. 什么是進(jìn)程通信

顧名思義，進(jìn)程通信( InterProcess Communication，IPC)就是指「進(jìn)程之間的信息交換」。實際上，「進(jìn)程的同步與互斥本質(zhì)上也是一種進(jìn)程通信」(這也就是待會我們會在進(jìn)程通信機(jī)制中看見信號量和 PV 操作的原因了)，只不過它傳輸?shù)膬H僅是信號量，通過修改信號量，使得進(jìn)程之間建立聯(lián)系，相互協(xié)調(diào)和協(xié)同工作，但是它「缺乏傳遞數(shù)據(jù)的能力」。

雖然存在某些情況，進(jìn)程之間交換的信息量很少，比如僅僅交換某個狀態(tài)信息，這樣進(jìn)程的同步與互斥機(jī)制完全可以勝任這項工作。但是大多數(shù)情況下，「進(jìn)程之間需要交換大批數(shù)據(jù)」，比如傳送一批信息或整個文件，這就需要通過一種新的通信機(jī)制來完成，也就是所謂的進(jìn)程通信。

再來從操作系統(tǒng)層面直觀的看一些進(jìn)程通信：我們知道，為了保證安全，每個進(jìn)程的用戶地址空間都是獨立的，一般而言一個進(jìn)程不能直接訪問另一個進(jìn)程的地址空間，不過內(nèi)核空間是每個進(jìn)程都共享的，所以「進(jìn)程之間想要進(jìn)行信息交換就必須通過內(nèi)核」。

下面就來我們來列舉一下 Linux 內(nèi)核提供的常見的進(jìn)程通信機(jī)制：

• 管道(也稱作共享文件)
• 消息隊列(也稱作消息傳遞)
• 共享內(nèi)存(也稱作共享存儲)
• 信號量和 PV 操作
• 信號
• 套接字(Socket)

2. 管道

匿名管道

各位如果學(xué)過 Linux 命令，那對管道肯定不陌生，Linux 管道使用豎線 | 連接多個命令，這被稱為管道符。

$ command1 | command2 

以上這行代碼就組成了一個管道，它的功能是將前一個命令(command1)的輸出，作為后一個命令(command2)的輸入，從這個功能描述中，我們可以看出「管道中的數(shù)據(jù)只能單向流動」，也就是半雙工通信，如果想實現(xiàn)相互通信(全雙工通信)，我們需要創(chuàng)建兩個管道才行。

另外，通過管道符 | 創(chuàng)建的管道是匿名管道，用完了就會被自動銷毀。并且，匿名管道只能在具有親緣關(guān)系(父子進(jìn)程)的進(jìn)程間使用，。也就是說，「匿名管道只能用于父子進(jìn)程之間的通信」。

在 Linux 的實際編碼中，是通過 pipe 函數(shù)來創(chuàng)建匿名管道的，若創(chuàng)建成功則返回 0，創(chuàng)建失敗就返回 -1：

int pipe (int fd[2]); 

該函數(shù)擁有一個存儲空間為 2 的文件描述符數(shù)組：

fd[0] 指向管道的讀端，fd[1] 指向管道的寫端

fd[1] 的輸出是 fd[0] 的輸入

粗略的解釋一下通過匿名管道實現(xiàn)進(jìn)程間通信的步驟：

1)父進(jìn)程創(chuàng)建兩個匿名管道，管道 1(fd1[0]和 fd1[1])和管道 2(fd2[0]和 fd2[1]);

因為管道的數(shù)據(jù)是單向流動的，所以要想實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信，就需要兩個管道，每個方向一個。

2)父進(jìn)程 fork 出子進(jìn)程，于是對于這兩個匿名管道，子進(jìn)程也分別有兩個文件描述符指向匿名管道的讀寫兩端;

3)父進(jìn)程關(guān)閉管道 1 的讀端 fd1[0] 和 管道 2 的寫端 fd2[1]，子進(jìn)程關(guān)閉管道 1 的寫端 fd1[1] 和 管道 2 的讀端 fd2[0]，這樣，管道 1 只能用于父進(jìn)程寫、子進(jìn)程讀;管道 2 只能用于父進(jìn)程讀、子進(jìn)程寫。管道是用「環(huán)形隊列」實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)從寫端流入從讀端流出，這就實現(xiàn)了父子進(jìn)程之間的雙向通信。

看完上面這些講述，我們來理解下管道的本質(zhì)是什么：對于管道兩端的進(jìn)程而言，管道就是一個文件(這也就是為啥管道也被稱為共享文件機(jī)制的原因了)，但它不是普通的文件，它不屬于某種文件系統(tǒng)，而是自立門戶，單獨構(gòu)成一種文件系統(tǒng)，并且只存在于內(nèi)存中。

簡單來說，「管道的本質(zhì)就是內(nèi)核在內(nèi)存中開辟了一個緩沖區(qū)，這個緩沖區(qū)與管道文件相關(guān)聯(lián)，對管道文件的操作，被內(nèi)核轉(zhuǎn)換成對這塊緩沖區(qū)的操作」。

有名管道

匿名管道由于沒有名字，只能用于父子進(jìn)程間的通信。為了克服這個缺點，提出了有名管道，也稱做 FIFO，因為數(shù)據(jù)是先進(jìn)先出的傳輸方式。

所謂有名管道也就是提供一個路徑名與之關(guān)聯(lián)，這樣，即使與創(chuàng)建有名管道的進(jìn)程不存在親緣關(guān)系的進(jìn)程，只要可以訪問該路徑，就能夠通過這個有名管道進(jìn)行相互通信。

使用 Linux 命令 mkfifo 來創(chuàng)建有名管道：

$ mkfifo myPipe 

myPipe 就是這個管道的名稱，接下來，我們往 myPipe 這個有名管道中寫入數(shù)據(jù)：

$ echo "hello" > myPipe 

執(zhí)行這行命令后，你會發(fā)現(xiàn)它就停在這了，這是因為管道里的內(nèi)容沒有被讀取，只有當(dāng)管道里的數(shù)據(jù)被讀完后，命令才可以正常退出。于是，我們執(zhí)行另外一個命令來讀取這個有名管道里的數(shù)據(jù)：

$ cat < myPipe 
hello 

3. 消息隊列可以看出，「管道這種進(jìn)程通信方式雖然使用簡單，但是效率比較低，不適合進(jìn)程間頻繁地交換數(shù)據(jù)，并且管道只能傳輸無格式的字節(jié)流」。為此，消息傳遞機(jī)制(Linux 中稱消息隊列)應(yīng)用而生。比如，A 進(jìn)程要給 B 進(jìn)程發(fā)送消息，A 進(jìn)程把數(shù)據(jù)放在對應(yīng)的消息隊列后就可以正常返回了，B 進(jìn)程在需要的時候自行去消息隊列中讀取數(shù)據(jù)就可以了。同樣的，B 進(jìn)程要給 A 進(jìn)程發(fā)送消息也是如此。

「消息隊列的本質(zhì)就是存放在內(nèi)存中的消息的鏈表，而消息本質(zhì)上是用戶自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)」。如果進(jìn)程從消息隊列中讀取了某個消息，這個消息就會被從消息隊列中刪除。對比一下管道機(jī)制：

• 消息隊列允許一個或多個進(jìn)程向它寫入或讀取消息。
• 消息隊列可以實現(xiàn)消息的「隨機(jī)查詢」，不一定非要以先進(jìn)先出的次序讀取消息，也可以按消息的類型讀取。比有名管道的先進(jìn)先出原則更有優(yōu)勢。
• 對于消息隊列來說，在某個進(jìn)程往一個隊列寫入消息之前，并不需要另一個進(jìn)程在該消息隊列上等待消息的到達(dá)。而對于管道來說，除非讀進(jìn)程已存在，否則先有寫進(jìn)程進(jìn)行寫入操作是沒有意義的。
• 消息隊列的生命周期隨內(nèi)核，如果沒有釋放消息隊列或者沒有關(guān)閉操作系統(tǒng)，消息隊列就會一直存在。而匿名管道隨進(jìn)程的創(chuàng)建而建立，隨進(jìn)程的結(jié)束而銷毀。

需要注意的是，消息隊列對于交換較少數(shù)量的數(shù)據(jù)很有用，因為無需避免沖突。但是，由于用戶進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)到內(nèi)存中的消息隊列時，會發(fā)生從用戶態(tài)「拷貝」數(shù)據(jù)到內(nèi)核態(tài)的過程;同樣的，另一個用戶進(jìn)程讀取內(nèi)存中的消息數(shù)據(jù)時，會發(fā)生從內(nèi)核態(tài)拷貝數(shù)據(jù)到用戶態(tài)的過程。因此，「如果數(shù)據(jù)量較大，使用消息隊列就會造成頻繁的系統(tǒng)調(diào)用，也就是需要消耗更多的時間以便內(nèi)核介入」。

4. 共享內(nèi)存

為了避免像消息隊列那樣頻繁的拷貝消息、進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，共享內(nèi)存機(jī)制出現(xiàn)了。

顧名思義，共享內(nèi)存就是允許不相干的進(jìn)程將同一段物理內(nèi)存連接到它們各自的地址空間中，使得這些進(jìn)程可以訪問同一個物理內(nèi)存，這個物理內(nèi)存就成為共享內(nèi)存。如果某個進(jìn)程向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，所做的改動將「立即」影響到可以訪問同一段共享內(nèi)存的任何其他進(jìn)程。

集合內(nèi)存管理的內(nèi)容，我們來深入理解下共享內(nèi)存的原理。首先，每個進(jìn)程都有屬于自己的進(jìn)程控制塊(PCB)和邏輯地址空間(Addr Space)，并且都有一個與之對應(yīng)的頁表，負(fù)責(zé)將進(jìn)程的邏輯地址(虛擬地址)與物理地址進(jìn)行映射，通過內(nèi)存管理單元(MMU)進(jìn)行管理。「兩個不同進(jìn)程的邏輯地址通過頁表映射到物理空間的同一區(qū)域，它們所共同指向的這塊區(qū)域就是共享內(nèi)存」。

不同于消息隊列頻繁的系統(tǒng)調(diào)用，對于共享內(nèi)存機(jī)制來說，僅在建立共享內(nèi)存區(qū)域時需要系統(tǒng)調(diào)用，一旦建立共享內(nèi)存，所有的訪問都可作為常規(guī)內(nèi)存訪問，無需借助內(nèi)核。這樣，數(shù)據(jù)就不需要在進(jìn)程之間來回拷貝，所以這是最快的一種進(jìn)程通信方式。

5. 信號量和 PV 操作

實際上，對具有多 CPU 系統(tǒng)的最新研究表明，在這類系統(tǒng)上，消息傳遞的性能其實是要優(yōu)于共享內(nèi)存的，因為「消息隊列無需避免沖突，而共享內(nèi)存機(jī)制可能會發(fā)生沖突」。也就是說如果多個進(jìn)程同時修改同一個共享內(nèi)存，先來的那個進(jìn)程寫的內(nèi)容就會被后來的覆蓋。

并且，在多道批處理系統(tǒng)中，多個進(jìn)程是可以并發(fā)執(zhí)行的，但由于系統(tǒng)的資源有限，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底的， 而是走走停停，以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)(異步性)。但有時候我們又希望多個進(jìn)程能密切合作，按照某個特定的順序依次執(zhí)行，以實現(xiàn)一個共同的任務(wù)。

舉個例子，如果有 A、B 兩個進(jìn)程分別負(fù)責(zé)讀和寫數(shù)據(jù)的操作，這兩個線程是相互合作、相互依賴的。那么寫數(shù)據(jù)應(yīng)該發(fā)生在讀數(shù)據(jù)之前。而實際上，由于異步性的存在，可能會發(fā)生先讀后寫的情況，而此時由于緩沖區(qū)還沒有被寫入數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程 A 沒有數(shù)據(jù)可讀，因此讀進(jìn)程 A 被阻塞。

因此，為了解決上述這兩個問題，保證共享內(nèi)存在任何時刻只有一個進(jìn)程在訪問(互斥)，并且使得進(jìn)程們能夠按照某個特定順序訪問共享內(nèi)存(同步)，我們就可以使用進(jìn)程的同步與互斥機(jī)制，常見的比如信號量與 PV 操作。

「進(jìn)程的同步與互斥其實是一種對進(jìn)程通信的保護(hù)機(jī)制，并不是用來傳輸進(jìn)程之間真正通信的內(nèi)容的，但是由于它們會傳輸信號量，所以也被納入進(jìn)程通信的范疇，稱為低級通信」。

下面的內(nèi)容和上篇文章【看完了進(jìn)程同步與互斥機(jī)制，我終于徹底理解了 PV 操作】中所講的差不多，看過的小伙伴可直接跳到下一標(biāo)題。

信號量其實就是一個變量 ，我們可以用一個信號量來表示系統(tǒng)中某種資源的數(shù)量，比如：系統(tǒng)中只有一臺打印機(jī)，就可以設(shè)置一個初值為 1 的信號量。

用戶進(jìn)程可以通過使用操作系統(tǒng)提供的一對原語來對信號量進(jìn)行操作，從而很方便的實現(xiàn)進(jìn)程互斥或同步。這一對原語就是 PV 操作：

1)「P 操作」：將信號量值減 1，表示「申請占用一個資源」。如果結(jié)果小于 0，表示已經(jīng)沒有可用資源，則執(zhí)行 P 操作的進(jìn)程被阻塞。如果結(jié)果大于等于 0，表示現(xiàn)有的資源足夠你使用，則執(zhí)行 P 操作的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。

可以這么理解，當(dāng)信號量的值為 2 的時候，表示有 2 個資源可以使用，當(dāng)信號量的值為 -2 的時候，表示有兩個進(jìn)程正在等待使用這個資源。不看這句話真的無法理解 V 操作，看完頓時如夢初醒。

2)「V 操作」：將信號量值加 1，表示「釋放一個資源」，即使用完資源后歸還資源。若加完后信號量的值小于等于 0，表示有某些進(jìn)程正在等待該資源，由于我們已經(jīng)釋放出一個資源了，因此需要喚醒一個等待使用該資源(就緒態(tài))的進(jìn)程，使之運行下去。

我覺得已經(jīng)講的足夠通俗了，不過對于 V 操作大家可能仍然有困惑，下面再來看兩個關(guān)于 V 操作的問答：

問：「信號量的值 大于 0 表示有共享資源可供使用，這個時候為什么不需要喚醒進(jìn)程」?

答：所謂喚醒進(jìn)程是從就緒隊列(阻塞隊列)中喚醒進(jìn)程，而信號量的值大于 0 表示有共享資源可供使用，也就是說這個時候沒有進(jìn)程被阻塞在這個資源上，所以不需要喚醒，正常運行即可。

問：「信號量的值 等于 0 的時候表示沒有共享資源可供使用，為什么還要喚醒進(jìn)程」?

答：V 操作是先執(zhí)行信號量值加 1 的，也就是說，把信號量的值加 1 后才變成了 0，在此之前，信號量的值是 -1，即有一個進(jìn)程正在等待這個共享資源，我們需要喚醒它。

信號量和 PV 操作具體的定義如下：

互斥訪問共享內(nèi)存

兩步走即可實現(xiàn)不同進(jìn)程對共享內(nèi)存的互斥訪問：

• 定義一個互斥信號量，并初始化為 1
• 把對共享內(nèi)存的訪問置于 P 操作和 V 操作之間

「P 操作和 V 操作必須成對出現(xiàn)」。缺少 P 操作就不能保證對共享內(nèi)存的互斥訪問，缺少 V 操作就會導(dǎo)致共享內(nèi)存永遠(yuǎn)得不到釋放、處于等待態(tài)的進(jìn)程永遠(yuǎn)得不到喚醒。

實現(xiàn)進(jìn)程同步

回顧一下進(jìn)程同步，就是要各并發(fā)進(jìn)程按要求有序地運行。

舉個例子，以下兩個進(jìn)程 P1、P2 并發(fā)執(zhí)行，由于存在異步性，因此二者交替推進(jìn)的次序是不確定的。假設(shè) P2 的 “代碼4” 要基于 P1 的 “代碼1” 和 “代碼2” 的運行結(jié)果才能執(zhí)行，那么我們就必須保證 “代碼4” 一定是在 “代碼2” 之后才會執(zhí)行。

如果 P2 的 “代碼4” 要基于 P1 的 “代碼1” 和 “代碼2” 的運行結(jié)果才能執(zhí)行，那么我們就必須保證 “代碼4” 一定是在 “代碼2” 之后才會執(zhí)行。

使用信號量和 PV 操作實現(xiàn)進(jìn)程的同步也非常方便，三步走：

• 定義一個同步信號量，并初始化為當(dāng)前可用資源的數(shù)量
• 在優(yōu)先級較「高」的操作的「后」面執(zhí)行 V 操作，釋放資源
• 在優(yōu)先級較「低」的操作的「前」面執(zhí)行 P 操作，申請占用資源
  

配合下面這張圖直觀理解下：

6. 信號

注意!「信號和信號量是完全不同的兩個概念」!

信號是進(jìn)程通信機(jī)制中唯一的「異步」通信機(jī)制，它可以在任何時候發(fā)送信號給某個進(jìn)程。「通過發(fā)送指定信號來通知進(jìn)程某個異步事件的發(fā)送，以迫使進(jìn)程執(zhí)行信號處理程序。信號處理完畢后，被中斷進(jìn)程將恢復(fù)執(zhí)行」。用戶、內(nèi)核和進(jìn)程都能生成和發(fā)送信號。

信號事件的來源主要有硬件來源和軟件來源。所謂硬件來源就是說我們可以通過鍵盤輸入某些組合鍵給進(jìn)程發(fā)送信號，比如常見的組合鍵 Ctrl+C 產(chǎn)生 SIGINT 信號，表示終止該進(jìn)程;而軟件來源就是通過 kill 系列的命令給進(jìn)程發(fā)送信號，比如 kill -9 1111 ，表示給 PID 為 1111 的進(jìn)程發(fā)送 SIGKILL 信號，讓其立即結(jié)束。我們來查看一下 Linux 中有哪些信號：

7. Socket

至此，上面介紹的 5 種方法都是用于同一臺主機(jī)上的進(jìn)程之間進(jìn)行通信的，如果想要「跨網(wǎng)絡(luò)與不同主機(jī)上的進(jìn)程進(jìn)行通信」，那該怎么做呢?這就是 Socket 通信做的事情了(「當(dāng)然，Socket 也能完成同主機(jī)上的進(jìn)程通信」)。

Socket 起源于 Unix，原意是「插座」，在計算機(jī)通信領(lǐng)域，Socket 被翻譯為「套接字」，它是計算機(jī)之間進(jìn)行通信的一種約定或一種方式。通過 Socket 這種約定，一臺計算機(jī)可以接收其他計算機(jī)的數(shù)據(jù)，也可以向其他計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

從計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)層面來說，「Socket 套接字是網(wǎng)絡(luò)通信的基石」，是支持 TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元。它是網(wǎng)絡(luò)通信過程中端點的抽象表示，包含進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信必須的五種信息：連接使用的協(xié)議，本地主機(jī)的 IP 地址，本地進(jìn)程的協(xié)議端口，遠(yuǎn)地主機(jī)的 IP 地址，遠(yuǎn)地進(jìn)程的協(xié)議端口。

Socket 的本質(zhì)其實是一個編程接口(API)，是應(yīng)用層與 TCP/IP 協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它對 TCP/IP 進(jìn)行了封裝。它「把復(fù)雜的 TCP/IP 協(xié)議族隱藏在 Socket 接口后面」。對用戶來說，只要通過一組簡單的 API 就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接。

8. 總結(jié)

簡單總結(jié)一下上面六種 Linux 內(nèi)核提供的進(jìn)程通信機(jī)制：

1)首先，最簡單的方式就是「管道」，管道的本質(zhì)是存放在內(nèi)存中的特殊的文件。也就是說，內(nèi)核在內(nèi)存中開辟了一個緩沖區(qū)，這個緩沖區(qū)與管道文件相關(guān)聯(lián)，對管道文件的操作，被內(nèi)核轉(zhuǎn)換成對這塊緩沖區(qū)的操作。管道分為匿名管道和有名管道，匿名管道只能在父子進(jìn)程之間進(jìn)行通信，而有名管道沒有限制。

2)雖然管道使用簡單，但是效率比較低，不適合進(jìn)程間頻繁地交換數(shù)據(jù)，并且管道只能傳輸無格式的字節(jié)流。為此「消息隊列」應(yīng)用而生。消息隊列的本質(zhì)就是存放在內(nèi)存中的消息的鏈表，而消息本質(zhì)上是用戶自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果進(jìn)程從消息隊列中讀取了某個消息，這個消息就會被從消息隊列中刪除。

3)消息隊列的速度比較慢，因為每次數(shù)據(jù)的寫入和讀取都需要經(jīng)過用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間數(shù)據(jù)的拷貝過程，「共享內(nèi)存」可以解決這個問題。所謂共享內(nèi)存就是：兩個不同進(jìn)程的邏輯地址通過頁表映射到物理空間的同一區(qū)域，它們所共同指向的這塊區(qū)域就是共享內(nèi)存。如果某個進(jìn)程向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，所做的改動將立即影響到可以訪問同一段共享內(nèi)存的任何其他進(jìn)程。

對于共享內(nèi)存機(jī)制來說，僅在建立共享內(nèi)存區(qū)域時需要系統(tǒng)調(diào)用，一旦建立共享內(nèi)存，所有的訪問都可作為常規(guī)內(nèi)存訪問，無需借助內(nèi)核。這樣，數(shù)據(jù)就不需要在進(jìn)程之間來回拷貝，所以這是最快的一種進(jìn)程通信方式。

4)共享內(nèi)存速度雖然非常快，但是存在沖突問題，為此，我們可以使用信號量和 PV 操作來實現(xiàn)對共享內(nèi)存的互斥訪問，并且還可以實現(xiàn)進(jìn)程同步。

5)「信號」和信號量是完全不同的兩個概念!信號是進(jìn)程通信機(jī)制中唯一的異步通信機(jī)制，它可以在任何時候發(fā)送信號給某個進(jìn)程。通過發(fā)送指定信號來通知進(jìn)程某個異步事件的發(fā)送，以迫使進(jìn)程執(zhí)行信號處理程序。信號處理完畢后，被中斷進(jìn)程將恢復(fù)執(zhí)行。用戶、內(nèi)核和進(jìn)程都能生成和發(fā)送信號。

6)上面介紹的 5 種方法都是用于同一臺主機(jī)上的進(jìn)程之間進(jìn)行通信的，如果想要跨網(wǎng)絡(luò)與不同主機(jī)上的進(jìn)程進(jìn)行通信，就需要使用 「Socket」 通信。另外，Socket 也能完成同主機(jī)上的進(jìn)程通信。

總結(jié)完畢!