进程间通信之我见

最新推荐文章于 2024-04-19 12:51:59 发布

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分类专栏：操作系统与计算机体系结构文章标签： unix windows system linux socket 网络

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本文深入探讨了Windows和Linux系统中进程间通信的主要机制，包括共享内存、管道、信号、消息队列和套接字等，并比较了它们在不同操作系统中的应用和特性。

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进程间通信之我见

作者：sccot 撰写日期：2011-11-29

Windows系统进程间通信

Windows提供了多种机制，使得应用程序之间能够快速、方便地共享数据和信息。这些机制包括RPC、COM、OLE、DDE、消息、剪切板、邮件槽、管道、套接字等。但是，如果在同一台机器上的多个进程间进行通信的话，那么上面的机制都与共享内存有关。这在Windows上称作内存映射文件。

这种数据共享机制是通过让两个或多个进程映射同一文件映射对象的视图来实现，这意味着进程间共享相同的物理存储页面。因此，当一个进程在文件映射对象的视图中写入数据时，其他的进程会在它们的视图中立刻看到变化。但是，对多个进程共享同一个文件映射对象来说，所有进程使用的文件映射对象的名称必须完全相同^[1]。

Linux系统进程间通信

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。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对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；后者则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来。

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。有两点需要简单说明一下：1）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）。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的，而Linux从一开始就遵循POSIX标准；2）BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多Unix版本的单机IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等^[2]。

Linux下的进程间通信机制大致包括：管道、信号（在Windows上成为消息）、信号队列（实际是消息链表）、共享内存、信号量、套接字。

共同点

由上面的分析可以看出两个操作系统共有的且用的较多的进程间通信机制有：管道、消息、共享内存和套接字。简介如下：

管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：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。

信号或者消息（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。

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。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。

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。

总结

消息队列是消息的链接表，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；而信号量主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。

个人认为：管道、剪贴板、共享内存都是基于共享内存的方式。而消息、消息队列和套接字的都是基于发消息的机制，只是看是在同一个机器上发还是在网络中发消息而已（套接字可以看做在网络中发送消息）。至于RPC、COM、OLE、DDE主要是在客户端和服务器端生成一个统一的接口。也就是说这几个通信手段其实就相当于网络上的协议。在同一层通信的协议不管下一层，好像这两层直接建立了联系。这个基本的思想是在本地建立类似存根代码的代码，而在远程建立类似桩代码的代码来进行连接。

这上面的通信方式中，剪切板和匿名管道只能实现同一机器上两个进程间的通信，而信号量、消息、消息队列和共享内存也只能在同一台机器上的多个进程间通信；但是命名管道、邮件槽和套接字不仅可以实现同一机器上的两个进程的通信，还可以实现跨网络的进程间通信；另外，油槽和套接字可以实现一对多的通信，而命名管道只能是点对点的单一通信，但油槽的缺点是数据量较小，通常都是在424字节以下，如果数据量较大，则可以采用命名管道和套接字的方式来完成。综上：在跨网络通信中套接字无疑是最优秀的通信方式，这或许是伯克利开发套接字来进行网络通信的初衷吧（传统通信方式不好用）。

参考书目：

[1] Windows核心编程. Jeffrey Richter Christophe Nasarre著

[2] Unix环境高级编程. W.Richard Stevens Stephen A.Rago著