进程间的通信

进程通信

进程通信指的是进程间的数据传输。进程通信根据交换信息量的多少和效率的高低，分为低级通信（只能传递状态或整数值）和高级通信（提高信号通过的效率，传递大量数据，减轻程序编制的复杂度），其中高级进程的通信分为三种：

• 共享内存模式
• 消息传递模式
• 共享文件模式

所以进程共享的方式可分为以下五种：

1.管道

管道一般是指两个不同的进程之间的通信。当一个进程创建管道，并且调用fork创建自己的子进程之后，父进程关闭读管道端，这样提供了两个进程间数据的流动方式；

特点：
1.它是半双工的，具有固定的读端和写端；
2.它只能用于具有亲缘关系的进程之间通信；
3.它可以看成是一个特殊的文件，对于它的读写也可以使用read、write等函数。但它不属于任何的文件系统，而是只存放在内存上；

如图，fd[0]为读端，fd[1]为写端，父进程通过fd[1]写进管道之后，子进程通过fd[0]读出来；反之，则可以将子进程的数据流入父进程；

2.FIFO（命名管道）

FIFO是一个先进先出的队列。它类似于一个管道，只允许数据单向流通。因为每个FIFO都有一个自己的名字，允许不相关的进程访问同一个FIFO。因此也叫做命名管道；

特点：

1. FIFO可以在没有关联的进程之间完成数据流动；
2. FIFO有特定的路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件存储在文件系统中；

当系统打开一个FIFO时，是否设置了阻塞标志(0_NONBLOCK)的区别:

• 当没有设置0_NONBLOCK（默认），只读open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此FIFO；类似的只写open 要阻塞到某个其他进程为读而打开此FIFO；
• 当设置了0_NONBBLOCK时，则只读open立即返回，只写open将出错返回-1，如果没有进程已经为读而打开该FIFO，其error置ENXIO；
  
  服务器相当于一个read_FIFO并实时监控着FIFO的write端，客户机想到于一个write_FIFO，当打开多个客户机向服务器发送数据的时候，服务器会打开读端并将客户机写入的数据进行读取并处理。

3.消息队列

UNIX下不同的进程之间可实现共享资源的一种机制：UNIX允许不同的进程将格式化的数据流以消息形式发送给任意的进程。对消息队列具有操作权限的进程都可以使用msget完成对消息队列的操作控制。通过使用消息队列，进程可以按照任何的顺序读取消息，或为消息安排优先级顺序。

消息队列是消息的链表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符来标识；

特点：

1. 消息队列是面向记录的，其中消息具有特定的格式和优先级
2. 消息队列独立于发送和接收进程。进程终止时，消息队列及其内容不会被清除；
3. 消息队列可以实现消息的随机查询，也可以按照消息的类型查询；

1 #include <sys/msg.h>

2 // 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
3 int msgget(key_t key, int flag);

4 // 添加消息：成功返回0，失败返回-1
5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);

6 // 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);

8 // 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
9 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

函数msgrcv在读取消息的时候，参数type共有以下几种类型：

• type<0 返回的消息类型值小于或等于type绝对值的消息，如果有多个，则取类型值的最小消息。
• type=0 返回消息队列中第一个消息。
• type>0 返回消息队列中第一个类型为type的消息。

---

函数msgget在以下两种情况下创建新的消息队列：

• 如果没有与键值对key相对应的消息队列，并且flag中包含了IPC_CREAT标志位。
• key的参数为IPC_PRIVATE。

4.信号量

作为进程间通信的一种方式，它不是用于交换大批量的数据，而是用于多进程之间的同步(协调对共享存储段的存取)。他是一个计数器，用于实现进程的同步或互斥，而不是用来存储进程间通信数据。一般和共享内存一起使用

特点：
1.信号量用于进程间的同步，若要在进程间传递数据则需要共享内存；
2.信号量基于操作系统的PV操作，程序对信号量的操作都是原子性的；
3.每次对信号量的操作不限于+1或者-1(二值信号量)，可以加减任意的信号量(通用信号量)；
4.支持信号量组；

1 #include <sys/sem.h>
2 // 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1
3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

4 // 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1
5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
  
6 // 控制信号量的相关信息
7 int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

当semget创建新的信号量集合的时候，必须指定集合中的信号量个数(num_sems)，通常为1；如果引用一个现有的集合，则将num_sems置为0；
在对信号量操作的函数semop()中，sembuf的定义如下：

1 struct sembuf 
2 {
3     short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
4     short sem_op;  // 信号量值在一次操作中的改变量
5     short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6 }

对于参数sem_op，分为以下三种情况：

• sem_op<0 请求sem_op 的绝对值资源；
• sem_op=0 进程阻塞到信号量的相应的值为0；
• sem_op>0 表示进程释放的资源数，将sem_op的值加到信号量上。如果有进程正在休眠等待该信号量，则换成它们；

5.共享内存

通过信号量实现存储共享；（类似于红灯停，绿灯行）

特点：
1.共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
2.因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
3.信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。

1 #include <sys/shm.h>

2 // 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1
3 int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

4 // 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
5 void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);

6 // 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
7 int shmdt(void *addr); 

8 // 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
9 int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

• 当shmget创建一段共享内存的时候必须指定size，而如果引用一个存在的共享内存时，指定size=0;
• 当一段共享内存被创建之后，它并不能被任何的进程访问，必须使用shmat函数将共享内存连接到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存的对象映射到调用进程的地址空间，随后就可以向本地进程空间一样访问；
• shmdt用来断开由shmat连接上的地址空间；这并不是指删除地址空间，而是指当前共享空间该进程不能使用；

6.总结

在一般情况下，系统都会使用共享内存+信号量+消息队列的形式来实现进程共享；大概的原理如下：

• 系统开辟一个共享的地址空间供进程使用；
• 进程通过msgrcv/msgsnd给消息队列中读/写共享消息；
• 信号量用来控制进程间的同步；（通过对信号量的加减来控制是同步还是阻塞）

	优点	缺点
无名管道	简单方便	只局限于单项通信且父子进程通信
有名管道FIFO	是无名管道的升级版，可以提供给任何的进程使用	长期存在系统内核中，使用不当容易出错
消息缓冲	不局限于父子进程，允许任意进程通过共享消息队列来实现进程间的通信，并由系统调用函数实现消息接收和发送，从而使得用户在使用消息队列时不用再去考虑同步问题，使用方便	信息的复制额外消耗CPU，不宜于信息量大或操作频繁的场合
共享内存	利用内存缓冲区直接交换消息，无需复制，快捷、信息量大	这些进程之间的读写的操作同步问题无法保证，必须在利用其他的同步工具来实现；并且由于系统实体存在于计算机系统中，所以只能处于一个计算机进程的系统共享，不方便网络通信
信号量	只是一个控制系统进程同步的工具，一般于共享内存一起使用