简介

​ 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

​ 如果了解过Linux一些基本指令,相信对 **”|”**这个竖线并不陌生

$ ps auxf | grep mysql`

上面命令行里的「|」竖线就是一个管道,它的功能是将前一个命令(ps auxf)的输出,作为后一个命令(grep mysql)的输入,从这功能描述,可以看出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。

同时,我们得知上面这种管道是没有名字,所以「|」表示的管道称为匿名管道,用完了就销毁。

管道还有另外一个类型是命名管道,也被叫做 FIFO,因为数据是先进先出的传输方式。

在使用命名管道前,先需要通过 mkfifo 命令来创建,并且指定管道名字:

$ mkfifo myPipe

myPipe 就是这个管道的名称,基于 Linux 一切皆文件的理念,所以管道也是以文件的方式存在,我们可以用 ls 看一下,这个文件的类型是 p,也就是 pipe(管道) 的意思:

$ ls -l
prw-r--r--. 1 root root 0 Jul 17 02:45 myPipe

接下来,我们往 myPipe 这个管道写入数据:

$ echo "hello" > myPipe  // 将数据写进管道
// 停住了 ...

你操作了后,你会发现命令执行后就停在这了,这是因为管道里的内容没有被读取,只有当管道里的数据被读完后,命令才可以正常退出。

于是,我们执行另外一个命令来读取这个管道里的数据:

$ cat < myPipe  // 读取管道里的数据
hello

可以看到,管道里的内容被读取出来了,并打印在了终端上,另外一方面,echo 那个命令也正常退出了。

我们可以看出,管道这种通信方式效率低,不适合进程间频繁地交换数据。当然,它的好处,自然就是简单,同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。

如何创建管道

匿名管道的创建,需要通过下面这个系统调用:

int pipe(int fd[2])

这里表示创建一个匿名管道,并返回了两个描述符,一个是管道的读取端描述符fd[0],另一个是管道的写入端描述符 fd[1]。注意,这个匿名管道是特殊的文件,只存在于内存,不存于文件系统中。

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所谓的管道,就是内核里面的一串缓存。从管道的一段写入的数据,实际上是缓存在内核中的,另一端读取,也就是从内核中读取这段数据。另外,管道传输的数据是无格式的流且大小受限。

看到这,你可能会有疑问了,这两个描述符都是在一个进程里面,并没有起到进程间通信的作用,怎么样才能使得管道是跨过两个进程的呢?

我们可以使用 fork 创建子进程,创建的子进程会复制父进程的文件描述符,这样就做到了两个进程各有两个「 fd[0]fd[1]」,两个进程就可以通过各自的 fd 写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了。

​ 管道只能一端写入,另一端读出,所以上面这种模式容易造成混乱,因为父进程和子进程都可以同时写入,也都可以读出。那么,为了避免这种情况,通常的做法是:

  • 父进程关闭读取的 fd[0],只保留写入的 fd[1];
  • 子进程关闭写入的 fd[1],只保留读取的 fd[0];

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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,不支持 lseek 之类的文件定位操作。

消息队列

前面说到管道的通信方式是效率低的,因此管道不适合进程间频繁地交换数据。

对于这个问题,消息队列的通信模式就可以解决。比如,A 进程要给 B 进程发送消息,A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了,B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理,B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。

再来,消息队列是保存在内核中的消息链表,在发送数据时,会分成一个一个独立的数据单元,也就是消息体(数据块),消息体是用户自定义的数据类型,消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型,所以每个消息体都是固定大小的存储块,不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体,内核就会把这个消息体删除。

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。

消息队列的缺点

  • 通信不及时
  • 大小限制
  • 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
  • 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

​ 消息队列的读取和写入的过程,都会有发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。那共享内存的方式,就很好的解决了这一问题。

​ 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。所以,即使进程 A 和 进程 B 的虚拟地址是一样的,其实访问的是不同的物理内存地址,对于数据的增删查改互不影响。

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。

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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。

另外,在多进程里,每个进程并不一定是顺序执行的,它们基本是以各自独立的、不可预知的速度向前推进,但有时候我们又希望多个进程能密切合作,以实现一个共同的任务。

​ 例如,进程 A 是负责生产数据,而进程 B 是负责读取数据,这两个进程是相互合作、相互依赖的,进程 A 必须先生产了数据,进程 B 才能读取到数据,所以执行是有前后顺序的。

那么这时候,就可以用信号量来实现多进程同步的方式,我们可以初始化信号量为0

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过程描述

  • 如果进程 B 比进程 A 先执行了,那么执行到 P 操作时,由于信号量初始值为 0,故信号量会变为 -1,表示进程 A 还没生产数据,于是进程 B 就阻塞等待;
  • 接着,当进程 A 生产完数据后,执行了 V 操作,就会使得信号量变为 0,于是就会唤醒阻塞在 P 操作的进程 B;
  • 最后,进程 B 被唤醒后,意味着进程 A 已经生产了数据,于是进程 B 就可以正常读取数据了。

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,就好像 Java 和 JavaScript 的区别。

在 Linux 操作系统中, 为了响应各种各样的事件,提供了几十种信号,分别代表不同的意义。我们可以通过 kill -l 命令,查看所有的信号

信号是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。Core 的意思是 Core Dump,也即终止进程后,通过 Core Dump 将当前进程的运行状态保存在文件里面,方便程序员事后进行分析问题在哪里。

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 SIGKILLSEGSTOP,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。

实际上,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。

基于TCP协议通信的socket编程模型

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  • 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。