现代操作系统原理与实现（银杏书）—— 进程间通信

最新推荐文章于 2025-09-01 22:57:00 发布

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本文深入探讨了进程间通信(IPC)的各种机制，包括共享内存、消息队列、信号量、管道、信号及套接字等，并对比了宏内核与微内核下的IPC特点。

进程间通信（IPC）

7.1 基础概念

简单IPC概念

IPC至少需要两个进程参与：一个发送者，一个接收者
内核为两个进程映射了一段共享内存内存
一种常见的通信数据的抽象——消息

三种对比：共享内存 VS 基于共享内存的消息传递 VS 操作系统辅助的消息传递

共享内存
- 直接在两个进程间建立共享区域，进程可以直接使用该共享区域上的数据，不存在“消息”的抽象
- 共享内存理论上讲，可以实现零内存拷贝的传输，性能好
基于共享内存的消息传递
- 操作系统在通信过程中不干预数据传输
- 多了“消息”的抽象
- 消息传递的基本接口：
  - 发送消息
  - 接收消息
  - 远程过程调用
  - 回复消息
操作系统辅助的消息传递
- 内核对用户态提供通信的接口
- 缺点：
  数据需要经过两次拷贝：
  - 从发送者用户态内存拷贝到内核内存
  - 从内核内存拷贝到接收者用户态内存
- 优点：
  1. 抽象更简单
  2. 安全性保证更强，不会破坏发送者和接收者进程的内存隔离性
  3. 在多方通信时，多个进程间共享内存区域复杂且不安全，操作系统辅助传递可以避免此问题

同步IPC和异步IPC

同步IPC指他的IPC操作（如send）会堵塞进程直到该操作完成
- 同步IPC往往是双向IPC（或RPC），即发送者需要等待返回结果
异步IPC通常是非堵塞的，进程只要发起一次操作即可返回，而不需要等待其完成
- 异步IPC通常通过轮训内存状态或注册回调函数（如果内核支持）来获取返回结果

同步 VS 异步

堵塞 VS 非堵塞

通信连接管理

直接通信
- 通信的进程一方需要显示地标识另一方
间接通信
- 需要经过一个中间的信箱来完成通信
- 每个信箱有自己唯一的标识符，而进程间通过共享一个信箱来交换消息

权限检查

进程间的通信依赖一套权限检查的机制来保证连接的安全性
- 微内核中，基于Capability的安全检查机制
- linux这样的宏内核中，将安全机制和文件的权限检查结合在一起

System V 进程间通信权限管理

System V进程间通信通常指的是宏内核下三种具体的进程间通信机制：
1. System V 消息队列
2. System V 信号量
3. System V 共享内存
在linux 中，System V 通信的权限管理基于文件的权限检查机制。

在linux内核中负责进程间通信权限管理的IPC_PERM 结构体用来检查“访问模式”。

  	struct ipc_perm {
  		key_t		key;		
  		uid_t		uid;		// owner的uid和gid
  		gid_t		gid;
  		uid_t		cuid;		// creator的uid和gid 
  		gid_t		cgid;
  		mode_t		mode;		//访问模式
    };

7.2 宏内核进程间通信

具体包括：管道，System V 中的消息队列，信号量，共享内存，Linux信号机制，套接字机制

宏内核操作系统中进程间通信更多的是应用之间的交互，设计的重心通常会放在接口的易用性、稳定性等方面。

1. 管道进程间通信

管道是单向的IPC，内核中通常有一定的缓冲区来缓冲消息。
管道通信的数据是字节流，需要用户自己对数据进行解析。
管道用于两个进程之间的消息传递。
具体实现：
（1）管道在UNIX系列的系统中会被当做一个文件，它的创建会返回一组（两个文件描述符）
（2）不过管道实际上不会使用存储设备，而是使用内存作为数据的一个缓冲区
管道的行为是FIFO的。

命名管道和匿名管道

匿名管道
- 通过pipe系统调用创建
- 问题：
- 只能通过fork继承的方式建立父子之间的连接，对于其他进程间无法使用
命名管道
- 通过mkfifo系统调用来创建
- 创建过程中会指定一个全局的文件名（例如 /tmp/namedpipe），通过这种方式，两个进程通过同一个相同的管道名就可以进行通信

2. System V 消息队列

消息队列是唯一一个以消息（内核提供的）为数据抽象的通信方式。

消息队列的结构

当创建新的消息队列时，内核从系统内存中分配一个队列数据结构，作为消息队列的内核对象。
包括：
- 消息头部指针，指向消息队列，同时包含IPC_PERM（消息权限）
- 消息，链表结构的队列，消息包含两部分：类型和数据

基本操作

msgget
获取已有消息队列的连接或者创建新的消息队列
msgsnd
往消息队列上发送消息
msgrcv
从队列接收消息
msgctl
控制和管理一个消息队列（如修改消息队列的权限或删除一个消息队列）

linux内核实现

一个消息队列被创建后，除非内核重启或主动删除，否则其数据会一直保留
消息队列的内存空间是有限制的，建议使用共享内存机制来传递长消息，而非使用消息队列
消息在用户态和内核态之间传递时，会有拷贝的开销
- 发送消息时，内核通过copy_from_user从用户态搬运到内核空间
- 接收消息时，内核通过copy_to_user将数据搬回用户态

3. System V 信号量

信号量在实际的使用中主要用作进程间的“同步”。
信号量本省能传递的数据量很少，一般来说仅有一个共享的整形计数器，该计数器由内核维护。

信号量进程间通信

信号量的主要操作是两个原语：P 和 V 。
P 缩写自荷兰语Probeer（尝试），尝试讲一个计数器减1。
- P 操作失败会将当前进程切换到堵塞状态，直到其他进程执行了 V 操作
V 缩写自荷兰语Verhoog（增加），将一个计数器加1。
- V 操作可能会唤醒一个因 P 操作而陷入堵塞的进程

4. System V 共享内存

共享内存的一个很重要原因是性能。

共享内存进程间通信

一个或多个进程在其所在的虚拟地址空间中映射相同的物理内存页，从而进行通信。
具体实现
1. 首先，内核会为全局所有的共享内存维护一个全局的队列结构
2. 队列的每一项（shmid_kernel结构体）是和一个IPC key 绑定的
3. 各进程可以通过同样一个key，来找到并使用同一段共享物理内存区域。