进程间通信的方式及应用场景

开头

　　每个进程的用户地址空间都是独立的，进程与进程之间，内部空间是隔离的，进程 A 不可能直接使用进程 B 的变量名的形式得到进程 B 中变量的值。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。实现进程与进程之间的通信，常用的方式主要有：管道、消息队列、共享内存、信号量、信号、socket等等。

一、管道

　　在 Linux 命令中，常见的“|”符号就是一种管道。比如：

 ps auxf | grep mysql

　　上面的命令中，“|”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。这种管道没有名字，匿名管道，用完就销毁。命名管道也被叫做 FIFO，因为数据的传输方式是先进先出（first in first out）。

　　管道传输数据是单向的，如果想相互通信，需要创建两个管道才行。

管道创建、写入、读取

创建

mkfifo myPipe

　　myPipe 是新创建的管道的名称，基于 Linux 一切皆文件的理念，管道也是以文件的方式存在，可以用 ls 看到文件类型是 p，也就是 pipe（管道） 的意思：

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

echo "hello" > myPipe  # 将数据写进管道。程序会阻塞，只有当管道里的数据被读完后，程序才会正常继续。
                         

cat < myPipe  # 读取管道里的数据
# hello

管道的优缺点

　　缺点：管道的通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。

　　优点：简单。

二、消息队列

　　前面说到管道的通信方式效率很低，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。

　　对于这个问题，消息队列可以解决。比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程将数据存入消息队列，B 进程只需要读取数据即可。反之亦如此。

　　消息队列的本质是保存在内核中的一种消息链表，在发送数据时，会分成独立的数据单元，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必须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。但邮件的通信方式存在不足的地方有两点：一是通信不及时，二是附件也有大小限制，这同样也是消息队列通信不足的点。

消息队列的优缺点

　　缺点：

1. 通信不及时
2. 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。在 Linux 内核中，会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。
3. 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。

　　优点：

1. 可以频繁地交换数据
2. 可以自定义数据类型

三、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。而共享内存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，大大提高了进程间通信的速度。

四、信号量

　　用了共享内存通信方式，带来新的问题：如果多个进程同时修改同一个共享内存，很有可能发生冲突。例如两个进程都同时写一个地址，先写的进程会的内容会被覆盖。

　　为了防止多进程竞争共享资源而造成的数据错乱，需要一种保护机制，使得共享的资源在任意时刻只能被一个进程访问。信号量就实现了这一保护机制。

　　信号量本质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：

•  P 操作：将信号量减去 -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。

•  V 操作：将信号量加上 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。

具体过程：

• 进程 A 在访问共享内存前，先执行 P 操作，由于信号量的初始值为 1，故在进程 A 执行 P 操作后信号量变为 0，表示共享资源可用，于是进程 A 就可以访问共享内存。

• 若此时，进程 B 也想访问共享内存，执行了 P 操作，结果信号量变为 -1，意味着临界资源已被占用，因此进程 B 被阻塞。

• 进程 A 访问完共享内存，执行 V 操作，使得信号量恢复为 0，接着就会唤醒阻塞中的线程 B，使得进程 B 可以访问共享内存，最后完成共享内存的访问后，执行 V 操作，使信号量恢复到初始值 1。

　　信号初始化为 1，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，这两个进程相互合作、相互依赖，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。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。

具体过程：

• 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。

可以发现，信号初始化为 0，就代表着是同步信号量，它可以保证进程 A 应在进程 B 之前执行。

五、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，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，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。可以通过 kill -l 命令查看所有的信号.

运行在 shell 终端的进程，我们可以通过键盘输入某些组合键的时候，给进程发送信号。例如

• Ctrl+C 产生 SIGINT 信号，表示终止该进程；

• Ctrl+Z 产生 SIGINTSIGTSTP 信号，表示停止该进程，但还未结束；

如果进程在后台运行，可以通过 kill 命令的方式给进程发送信号，但前提需要知道运行中的进程 PID 号，例如：

• kill -9 1050 ，表示给 PID 为 1050 的进程发送 SIGKILL 信号，用来立即结束该进程；

所以，信号事件的来源主要有硬件来源（如键盘 Cltr+C ）和软件来源（如 kill 命令）。

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，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 SIGKILL 和 SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程。

六、socket

　　网络通信