Linux间进程通信

Linux进程间通信
1 进程间通信概述
由于进程都拥有各自的用户地址空间，彼此之间是互相独立的，所以进程间不能直接访问。

而很多情况下正需要这种进程间的通信，来实现多进程协同工作。

因此内核提供了一种机制解决了这一问题，这就是进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）。

进程间通信主要有以下几个目的：
·数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。

·资源共享：多个进程之间共享同样的资源。

·通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件。

·进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行。

Linux 下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。

A T&T的贝尔实验室对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“system V IPC”，通信进程局限在单个计算机内。

而BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。

由于Unix版本的多样性，电子电气工程协会（IEEE）开发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（PSOIX，Protable Operating System Interface），现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准，而Linux从一开始就遵循POSIX标准，拥有POSIX IPC。

则Linux支持的IPC如下图所示：
图1 Linux所继承的进程间通信
其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号；
System V IPC包括：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区；
POSIX IPC包括：POSIX消息队列、POSIX信号灯、POSIX共享内存区。

现在在Linux下使用较多的进程间通信方式主要有以下几种：
（1）管道（Pipe）：管道又分为无名管道（Pipe）与有名管道（FIFO），管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
（2）信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；
（3）消息队列：消息队列是消息的链接表，包括POSIX消息队列system V消息队列。

有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。

消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

（4）共享内存：可以说这是最有用的通信方式。

它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。

这种通信方式依靠某种同步机制，如互斥锁与信号量等。

（5）信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。

（6）套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信，应用非常广泛。

2 管道通信
什么是管道？简单地说，管道就是连接一个进程的输出和另一个进程的输人的单向通道。

管道通信是一种由文件系统实现的进程间通信方式，通过创建管道文件，并让一个进程读，一个进程写来实现进程间的通信，如下图所示。

图2 管道通信示意图
管道是进程间通信中最古老的方式，它包括无名管道和有名管道两种：前者可用于具有亲缘关系进程间的通信，即可用于父子进程或兄弟进程间的通信；后者克服了管道没有名字的限制，因此，除具有前者所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信，即可用于运行于同一台机器上的任意两个进程间的通信。

2.1 无名管道（PIPE）
2.1.1 无名管道的创建
创建管道可以通过调用pipe()来实现。

管道两端可分别用描述字filedes[0]以及filedes[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的，即filedes[0]只能用于读，filedes[1]只能用于写。

管道关闭时只需将filedes[0]与filedes[1]这两个文件描述符关闭即可，可使用普通的close() 函数逐个关闭各个文件描述符。

2.1.3 无名管道的读写
用pipe()函数创建的管道两端处于一个进程中，由于管道是主要用于在不同进程间通信的，因此这在实际应用中没有太大意义。

实际上，通常先是创建一个管道，再通过fork()函数创建一子进程，这时，该子进程会继承父进程所创建的管道，父子进程分别拥有自己的读写的通道，为了实现父子进程之间的读写，只需把无关的读端或写端的文件描述符关闭即可。

例如在图3中把父进程的写端filedes[1]和子进程的读端filedes[0]关闭。

父子进程之间就建立起了一条“子进程写入父进程读”的通道。

图3 无名管道通信
同样，也可以关闭父进程的filedes[0]和子进程的filedes[1]，这样就可以建立一条“父进程写，子进程读”的通道。

另外，父进程还可以创建多个子进程，各个子进程都继承了相应的filedes[0]和filedes[1]，这时，只需要关闭相应端口就可以建立其各子进程之间的通道。

一般文件的I/O函数都可以用于管道，则管道就可以使用普通的read()和write()函数进行读写。

2.1.4无名管道应用实例
实例一：用于shell
管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。

比如，当在某个shell 程序（Bourne shell或C shell等）键入kill –l | grep SIGRTMIN后，相应shell程序将创建kill –l以及grep SIGRTMIN两个进程和这两个进程间的管道。

该命令的具体含义：列出所有的信号名，并在这些信号名中查找带有SIGRTMIN的信号。

前面介绍的管道是无名管道，它只能用于具有亲缘关系的进程之间，这就大大地限制了管道的使用。

有名管道的出现突破了这种限制，它可以使互不相关的两个进程实现彼此通信。

该管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中是可见的。

在建立了管道之后，两个进程就可以把它当作普通文件一样进行读写操作，使用非常方便。

不过值得注意的是，FIFO 是严格地遵循先进先出（first in first out）规则的，对管道的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾，它们不支持如lseek()等文件定位操作。

有名管道比无名管道多了一个打开操作：open()。

FIFO的打开规则：
如果当前打开操作是为读而打开FIFO时，若已经有相应进程为写而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，成功返回（当前打开操作没有设置阻塞标志）。

如果当前打开操作是为写而打开FIFO时，如果已经有相应进程为读而打开该FIFO，则当前打开操作将成功返回；否则，可能阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO（当前打开操作设置了阻塞标志）；或者，返回ENXIO错误（当前打开操作没有设置阻塞标志）。

有名管道同样适用close()函数关闭该管道。

2.2.3 有名管道的读写
有名管道的读写跟无名管道一样适用read()读、write()写。

2.2.3 有名管道的应用实例
3 信号通信。