进程间的通信方式

https://blog.youkuaiyun.com/jmy5945hh/article/details/7350564

这个太多了，没整理完
https://blog.youkuaiyun.com/wh_sjc/article/details/70283843#commentBox

进程是一个程序的一次执行过程。进程用户空间是相互独立的，一般而言是不能相互访问的。 但很多情况下进程间需要互相通信，来完成系统的某项功能。进程通过与内核及其它进程之间的互相通信来协调它们的行为。

多进程：
首先，先来讲一下fork之后，发生了什么事情。

由fork创建的新进程被称为子进程（child process）。该函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是新进程（子进程）的进程 id。将子进程id返回给父进程的理由是：因为一个进程的子进程可以多于一个，没有一个函数使一个进程可以获得其所有子进程的进程id。对子进程来说，之所以fork返回0给它，是因为它随时可以调用getpid()来获取自己的pid；也可以调用getppid()来获取父进程的id。(进程id 0总是由交换进程使用，所以一个子进程的进程id不可能为0 )。

fork之后，操作系统会复制一个与父进程完全相同的子进程，虽说是父子关系，但是在操作系统看来，他们更像兄弟关系，这2个进程共享代码空间，但是数据空间是互相独立的，子进程数据空间中的内容是父进程的完整拷贝，指令指针也完全相同，子进程拥有父进程当前运行到的位置（两进程的程序计数器pc值相同，也就是说，子进程是从fork返回处开始执行的），但有一点不同，如果fork成功，子进程中fork的返回值是0，父进程中fork的返回值是子进程的进程号，如果fork不成功，父进程会返回错误。可以这样想象，2个进程一直同时运行，而且步调一致，在fork之后，他们分别作不同的工作，也就是分岔了。这也是fork为什么叫fork的原因。

至于那一个最先运行，可能与操作系统（调度算法）有关，而且这个问题在实际应用中并不重要，如果需要父子进程协同，可以通过原语的办法解决。

进程通信的应用场景

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，发送的数据量在一个字节到几兆字节之间。

• 共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。

• 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（如进程终止时要通知父进程）。

• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了作到这一点，需要内核提供锁和同步机制。

• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

六种通信方式

1、管道：管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限。管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道。不需要额外同步机制。

• 无名管道：可用于具有亲缘关系（父子进程、或者拥有相同祖先的两个子进程之间）进程间的通信。无名管道是基于fork机制产生的
• 有名管道FIFO：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，用于通知接收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；

• 信号可以在任何时候发给某一进程，而无需知道该进程的状态。

• 如果该进程处于未执行状态，则该信号就有内核保存起来，直到该进程恢复执行并传递给它为止。

• 如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时信号才被传递给进程。

3、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。

消息队列与管道通信相比，其优势是对每个消息指定特定的消息类型，接收的时候不需要按照队列次序，而是可以根据自定义条件接收特定类型的消息。可以把消息看做一个记录，具有特定的格式以及特定的优先级。

4、共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式，需要额外的同步机制。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题。

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。信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。不能传递复杂消息，只能用来同步。

6、套接口（Socket）：可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

管道原理

无名管道的介绍

管道是由内核管理的一个缓冲区，相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。

当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。

无名管道如何创建

从原理上，管道利用fork机制建立，从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process 1上(连接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个连接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接 (两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入连接，Process 2关闭输出到PIPE的连接)，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE。

无名管道创建后其对应的数据结构

在 Linux 中，管道的实现并没有使用专门的数据结构，而是借助了文件系统的file结构和VFS的索引节点inode。通过将两个 file 结构指向同一个临时的 VFS 索引节点inode，而 VFS inode 索引节点又指向一个物理页面而实现的。如下图:
有两个 file 数据结构，但它们定义文件操作进程地址是不同的，其中一个是向管道中写入数据的例程地址，而另一个是从管道中读出数据的例程地址。这样，用户程序的系统调用仍然是通常的文件操作，而内核却利用这种抽象机制实现了管道这一特殊操作。

有名管道 FIFO (First in, First out)

实现原理

FIFO 为一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读®的方式打开该文件，而另一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道，所以FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道。之所以叫FIFO，是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最早放入的数据被最先读出来，从而保证信息交流的顺序。写模式的进程向FIFO文件中写入，而读模式的进程从FIFO文件中读出。 当删除FIFO文件时，管道连接也随之消失。 FIFO的 好处 在于我们可以 通过文件的路径来识别管道 ，从而让没有亲缘关系的进程之间建立连接。

套接字特性

套接字的特性由3个属性确定，它们分别是：域、端口号、协议类型。

1、套接字的域
它指定套接字通信中使用的网络介质，最常见的套接字域有两种：

• 一是AF_INET，指的是Internet网络。当客户使用套接字进行跨网络的连接时，它就需要用到服务器计算机的IP地址和端口来指定一台联网机器上的某个特定服务，所以在使用socket作为通信的终点，服务器应用程序必须在开始通信之前绑定一个端口，服务器在指定的端口等待客户的连接。

• 另一个域AF_UNIX（AF_LOCAL），表示UNIX文件系统，它就是文件输入/输出，而它的地址就是文件名。

2、套接字的端口号
每一个基于TCP/IP网络通讯的程序(进程)都被赋予了唯一的端口和端口号，端口是一个信息缓冲区，用于保留Socket中的输入/输出信息，端口号是一个16位无符号整数，范围是0-65535，以区别主机上的每一个程序（端口号就像房屋中的房间号），低于256的端口号保留给标准应用程序，比如pop3的端口号就是110，每一个套接字都组合进了IP地址、端口，这样形成的整体就可以区别每一个套接字。

3、套接字协议类型（3种）

（1）流套接字(SOCK_STREAM)
流套接字在域中通过TCP/IP连接实现，同时也是AF_UNIX中常用的套接字类型。流套接字提供的是一个有序、可靠、双向字节流的连接，因此发送的数据可以确保不会丢失、重复或乱序到达，而且它还有一定的出错后重新发送的机制。

（2）数据报套接字（SOCK_DGRAM）
它们在域中通常是通过UDP/IP协议实现的， 不需要建立连接和维持一个连接。它对可以发送的数据的长度有限制，数据报作为一个单独的网络消息被传输,它可能会丢失、重复或错乱到达，UDP不是一个可靠的协议，但是它的速度比较高。

（3）原始套接字（SOCK_RAW）
原始套接字允许对较低层次的协议直接访问，比如IP、 ICMP协议，它常用于检验新的协议实现，或者访问现有服务中配置的新设备，因为RAW SOCKET可以自如地控制Windows下的多种协议，能够对网络底层的传输机制进行控制，所以可以应用原始套接字来操纵网络层和传输层应用。比如，我们可以通过RAW SOCKET来接收发向本机的ICMP、IGMP协议包，或者接收TCP/IP栈不能够处理的IP包，也可以用来发送一些自定包头或自定协议的IP包。网络监听技术很大程度上依赖于SOCKET_RAW。

原始套接字与标准套接字的区别在于：
原始套接字可以读写内核没有处理的IP数据包，而流套接字只能读取TCP协议的数据，数据报套接字只能读取UDP协议的数据。因此，如果要访问其他协议发送数据必须使用原始套接字。