Linux系統(tǒng)進(jìn)程間的通信方式和原理是什么

這篇文章給大家介紹Linux系統(tǒng)進(jìn)程間的通信方式和原理是什么，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

進(jìn)程的概念

• 進(jìn)程是操作系統(tǒng)的概念，每當(dāng)我們執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，對(duì)于操作系統(tǒng)來講就創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)程,在這個(gè)過程中，伴隨著資源的分配和釋放?？梢哉J(rèn)為進(jìn)程是一個(gè)程序的一次執(zhí)行過程。

進(jìn)程通信的概念

• 進(jìn)程用戶空間是相互獨(dú)立的，一般而言是不能相互訪問的。但很多情況下進(jìn)程間需要互相通信，來完成系統(tǒng)的某項(xiàng)功能。進(jìn)程通過與內(nèi)核及其它進(jìn)程之間的互相通信來協(xié)調(diào)它們的行為。

進(jìn)程通信的應(yīng)用場(chǎng)景

• 數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程，發(fā)送的數(shù)據(jù)量在一個(gè)字節(jié)到幾兆字節(jié)之間。

• 共享數(shù)據(jù)：多個(gè)進(jìn)程想要操作共享數(shù)據(jù)，一個(gè)進(jìn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的修改，別的進(jìn)程應(yīng)該立刻看到。

• 通知事件：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它（它們）發(fā)生了某種事件（如進(jìn)程終止時(shí)要通知父進(jìn)程）。

• 資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的資源。為了作到這一點(diǎn)，需要內(nèi)核提供鎖和同步機(jī)制。

• 進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行（如Debug進(jìn)程），此時(shí)控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個(gè)進(jìn)程的所有陷入和異常，并能夠及時(shí)知道它的狀態(tài)改變。

進(jìn)程通信的方式

管道( pipe )：

管道包括三種:

• 普通管道PIPE： 通常有兩種限制,一是單工,只能單向傳輸;二是只能在父子或者兄弟進(jìn)程間使用.

• 流管道s_pipe: 去除了第一種限制,為半雙工，只能在父子或兄弟進(jìn)程間使用，可以雙向傳輸.

• 命名管道:name_pipe：去除了第二種限制,可以在許多并不相關(guān)的進(jìn)程之間進(jìn)行通訊.

信號(hào)量( semophore ) ：

• 信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以用來控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問。它常作為一種鎖機(jī)制，防止某進(jìn)程正在訪問共享資源時(shí)，其他進(jìn)程也訪問該資源。因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程內(nèi)不同線程之間的同步手段。

消息隊(duì)列( message queue ) ：

• 消息隊(duì)列是由消息的鏈表，存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。消息隊(duì)列克服了信號(hào)傳遞信息少、管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。

信號(hào) ( sinal ) ：

• 信號(hào)是一種比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接收進(jìn)程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生。

共享內(nèi)存( shared memory ) ：

• 共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，但多個(gè)進(jìn)程都可以訪問。共享內(nèi)存是最快的 IPC 方式，它是針對(duì)其他進(jìn)程間通信方式運(yùn)行效率低而專門設(shè)計(jì)的。它往往與其他通信機(jī)制，如信號(hào)兩，配合使用，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信。

套接字( socket ) ：

• 套解口也是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他通信機(jī)制不同的是，它可用于不同機(jī)器間的進(jìn)程通信。

各進(jìn)程間通信的原理及實(shí)現(xiàn)

管道

管道是如何通信的

管道是由內(nèi)核管理的一個(gè)緩沖區(qū)，相當(dāng)于我們放入內(nèi)存中的一個(gè)紙條。管道的一端連接一個(gè)進(jìn)程的輸出。這個(gè)進(jìn)程會(huì)向管道中放入信息。管道的另一端連接一個(gè)進(jìn)程的輸入，這個(gè)進(jìn)程取出被放入管道的信息。一個(gè)緩沖區(qū)不需要很大，它被設(shè)計(jì)成為環(huán)形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便管道可以被循環(huán)利用。當(dāng)管道中沒有信息的話，從管道中讀取的進(jìn)程會(huì)等待，直到另一端的進(jìn)程放入信息。當(dāng)管道被放滿信息的時(shí)候，嘗試放入信息的進(jìn)程會(huì)等待，直到另一端的進(jìn)程取出信息。當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程都終結(jié)的時(shí)候，管道也自動(dòng)消失。

管道是如何創(chuàng)建的

從原理上，管道利用fork機(jī)制建立，從而讓兩個(gè)進(jìn)程可以連接到同一個(gè)PIPE上。最開始的時(shí)候，上面的兩個(gè)箭頭都連接在同一個(gè)進(jìn)程Process 1上(連接在Process 1上的兩個(gè)箭頭)。當(dāng)fork復(fù)制進(jìn)程的時(shí)候，會(huì)將這兩個(gè)連接也復(fù)制到新的進(jìn)程(Process 2)。隨后，每個(gè)進(jìn)程關(guān)閉自己不需要的一個(gè)連接 (兩個(gè)黑色的箭頭被關(guān)閉; Process 1關(guān)閉從PIPE來的輸入連接，Process 2關(guān)閉輸出到PIPE的連接)，這樣，剩下的紅色連接就構(gòu)成了如上圖的PIPE。

• 管道通信的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
  在 Linux 中，管道的實(shí)現(xiàn)并沒有使用專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是借助了文件系統(tǒng)的file結(jié)構(gòu)和VFS的索引節(jié)點(diǎn)inode。通過將兩個(gè) file 結(jié)構(gòu)指向同一個(gè)臨時(shí)的 VFS 索引節(jié)點(diǎn)，而這個(gè) VFS 索引節(jié)點(diǎn)又指向一個(gè)物理頁(yè)面而實(shí)現(xiàn)的。如下圖

有兩個(gè) file 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它們定義文件操作例程地址是不同的，其中一個(gè)是向管道中寫入數(shù)據(jù)的例程地址，而另一個(gè)是從管道中讀出數(shù)據(jù)的例程地址。這樣，用戶程序的系統(tǒng)調(diào)用仍然是通常的文件操作，而內(nèi)核卻利用這種抽象機(jī)制實(shí)現(xiàn)了管道這一特殊操作。

關(guān)于管道的讀寫

管道實(shí)現(xiàn)的源代碼在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函數(shù)，其中有兩個(gè)函數(shù)比較重要，即管道讀函數(shù)pipe_read()和管道寫函數(shù)pipe_wrtie()。管道寫函數(shù)通過將字節(jié)復(fù)制到 VFS 索引節(jié)點(diǎn)指向的物理內(nèi)存而寫入數(shù)據(jù)，而管道讀函數(shù)則通過復(fù)制物理內(nèi)存中的字節(jié)而讀出數(shù)據(jù)。當(dāng)然，內(nèi)核必須利用一定的機(jī)制同步對(duì)管道的訪問，為此，內(nèi)核使用了鎖、等待隊(duì)列和信號(hào)。

當(dāng)寫進(jìn)程向管道中寫入時(shí)，它利用標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)write()，系統(tǒng)根據(jù)庫(kù)函數(shù)傳遞的文件描述符，可找到該文件的 file 結(jié)構(gòu)。file 結(jié)構(gòu)中指定了用來進(jìn)行寫操作的函數(shù)（即寫入函數(shù)）地址，于是，內(nèi)核調(diào)用該函數(shù)完成寫操作。寫入函數(shù)在向內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)之前，必須首先檢查 VFS 索引節(jié)點(diǎn)中的信息，同時(shí)滿足如下條件時(shí)，才能進(jìn)行實(shí)際的內(nèi)存復(fù)制工作：

• 內(nèi)存中有足夠的空間可容納所有要寫入的數(shù)據(jù)；

• 內(nèi)存沒有被讀程序鎖定。

如果同時(shí)滿足上述條件，寫入函數(shù)首先鎖定內(nèi)存，然后從寫進(jìn)程的地址空間中復(fù)制數(shù)據(jù)到內(nèi)存。否則，寫入進(jìn)程就休眠在 VFS 索引節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中，接下來，內(nèi)核將調(diào)用調(diào)度程序，而調(diào)度程序會(huì)選擇其他進(jìn)程運(yùn)行。寫入進(jìn)程實(shí)際處于可中斷的等待狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)存中有足夠的空間可以容納寫入數(shù)據(jù)，或內(nèi)存被解鎖時(shí)，讀取進(jìn)程會(huì)喚醒寫入進(jìn)程，這時(shí)，寫入進(jìn)程將接收到信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存之后，內(nèi)存被解鎖，而所有休眠在索引節(jié)點(diǎn)的讀取進(jìn)程會(huì)被喚醒。

管道的讀取過程和寫入過程類似。但是，進(jìn)程可以在沒有數(shù)據(jù)或內(nèi)存被鎖定時(shí)立即返回錯(cuò)誤信息，而不是阻塞該進(jìn)程，這依賴于文件或管道的打開模式。反之，進(jìn)程可以休眠在索引節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中等待寫入進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的進(jìn)程完成了管道操作之后，管道的索引節(jié)點(diǎn)被丟棄，而共享數(shù)據(jù)頁(yè)也被釋放。

Linux函數(shù)原型

#include int pipe(int filedes[2]);

filedes[0]用于讀出數(shù)據(jù)，讀取時(shí)必須關(guān)閉寫入端，即close(filedes[1]);

filedes[1]用于寫入數(shù)據(jù)，寫入時(shí)必須關(guān)閉讀取端，即close(filedes[0])。

int main(void){     int n;     int fd[2];     pid_t pid;     char line[MAXLINE];     if(pipe(fd)  0){                 /* 先建立管道得到一對(duì)文件描述符 */exit(0);     }     if((pid = fork())  0)            /* 父進(jìn)程把文件描述符復(fù)制給子進(jìn)程 */         exit(1);     else if(pid > 0){                /* 父進(jìn)程寫 */         close(fd[0]);                /* 關(guān)閉讀描述符 */         write(fd[1], "\nhello world\n", 14);     }     else{                            /* 子進(jìn)程讀 */         close(fd[1]);                /* 關(guān)閉寫端 */         n = read(fd[0], line, MAXLINE);         write(STDOUT_FILENO, line, n);     }     exit(0); }

命名管道

由于基于fork機(jī)制，所以管道只能用于父進(jìn)程和子進(jìn)程之間，或者擁有相同祖先的兩個(gè)子進(jìn)程之間 (有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間)。為了解決這一問題，Linux提供了FIFO方式連接進(jìn)程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)。

實(shí)現(xiàn)原理

FIFO (First in, First out)為一種特殊的文件類型，它在文件系統(tǒng)中有對(duì)應(yīng)的路徑。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程以讀(r)的方式打開該文件，而另一個(gè)進(jìn)程以寫(w)的方式打開該文件，那么內(nèi)核就會(huì)在這兩個(gè)進(jìn)程之間建立管道，所以FIFO實(shí)際上也由內(nèi)核管理，不與硬盤打交道。之所以叫FIFO，是因?yàn)楣艿辣举|(zhì)上是一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最早放入的數(shù)據(jù)被最先讀出來，從而保證信息交流的順序。FIFO只是借用了文件系統(tǒng)(file system,命名管道是一種特殊類型的文??，因?yàn)長(zhǎng)inux中所有事物都是文件，它在文件系統(tǒng)中以文件名的形式存在。)來為管道命名。寫模式的進(jìn)程向FIFO文件中寫入，而讀模式的進(jìn)程從FIFO文件中讀出。當(dāng)刪除FIFO文件時(shí)，管道連接也隨之消失。FIFO的好處在于我們可以通過文件的路徑來識(shí)別管道，從而讓沒有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間建立連接

函數(shù)原型：

#include #include int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);int mknode(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t) 0 );

其中filename是被創(chuàng)建的文件名稱，mode表示將在該文件上設(shè)置的權(quán)限位和將被創(chuàng)建的文件類型(在此情況下為S_IFIFO)，dev是當(dāng)創(chuàng)建設(shè)備特殊文件時(shí)使用的一個(gè)值。因此，對(duì)于先進(jìn)先出文件它的值為0。

程序?qū)嵗?/h5>

#include #include #include #include int main()  {  
    int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777);  
    if (res == 0)  
    {  printf("FIFO created/n");  
    }  
     exit(EXIT_SUCCESS);  
}

參考文獻(xiàn)

Linux進(jìn)程間通信之管道(pipe)、命名管道(FIFO)與信號(hào)(Signal)

信號(hào)量

什么是信號(hào)量

為了防止出現(xiàn)因多個(gè)程序同時(shí)訪問一個(gè)共享資源而引發(fā)的一系列問題，我們需要一種方法。比如在任一時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行線程訪問代碼的臨界區(qū)域。臨界區(qū)域是指執(zhí)行數(shù)據(jù)更新的代碼需要獨(dú)占式地執(zhí)行。而信號(hào)量就可以提供這樣的一種訪問機(jī)制，讓一個(gè)臨界區(qū)同一時(shí)間只有一個(gè)線程在訪問它，也就是說信號(hào)量是用來調(diào)協(xié)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問的。

信號(hào)量是一個(gè)特殊的變量，程序?qū)ζ湓L問都是原子操作，且只允許對(duì)它進(jìn)行等待（即P(信號(hào)變量))和發(fā)送（即V(信號(hào)變量))信息操作。最簡(jiǎn)單的信號(hào)量是只能取0和1的變量，這也是信號(hào)量最常見的一種形式，叫做二進(jìn)制信號(hào)量。而可以取多個(gè)正整數(shù)的信號(hào)量被稱為通用信號(hào)量。

信號(hào)量的工作原理

由于信號(hào)量只能進(jìn)行兩種操作等待和發(fā)送信號(hào)，即P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：

• P(sv)：如果sv的值大于零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進(jìn)程的執(zhí)行

• V(sv)：如果有其他進(jìn)程因等待sv而被掛起，就讓它恢復(fù)運(yùn)行，如果沒有進(jìn)程因等待sv而掛起，就給它加1.

舉個(gè)例子，就是兩個(gè)進(jìn)程共享信號(hào)量sv，一旦其中一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行了P(sv)操作，它將得到信號(hào)量，并可以進(jìn)入臨界區(qū)，使sv減1。而第二個(gè)進(jìn)程將被阻止進(jìn)入臨界區(qū)，因?yàn)楫?dāng)它試圖執(zhí)行P(sv)時(shí)，sv為0，它會(huì)被掛起以等待第一個(gè)進(jìn)程離開臨界區(qū)域并執(zhí)行V(sv)釋放信號(hào)量，這時(shí)第二個(gè)進(jìn)程就可以恢復(fù)執(zhí)行。

Linux的信號(hào)量機(jī)制

Linux提供了一組精心設(shè)計(jì)的信號(hào)量接口來對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，它們不只是針對(duì)二進(jìn)制信號(hào)量，下面將會(huì)對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行介紹，但請(qǐng)注意，這些函數(shù)都是用來對(duì)成組的信號(hào)量值進(jìn)行操作的。它們聲明在頭文件sys/sem.h中。

semget函數(shù)

它的作用是創(chuàng)建一個(gè)新信號(hào)量或取得一個(gè)已有信號(hào)量，原型為：

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

• 第一個(gè)參數(shù)key是整數(shù)值（唯一非零），不相關(guān)的進(jìn)程可以通過它訪問一個(gè)信號(hào)量，它代表程序可能要使用的某個(gè)資源，程序?qū)λ行盘?hào)量的訪問都是間接的，程序先通過調(diào)用semget函數(shù)并提供一個(gè)鍵，再由系統(tǒng)生成一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)標(biāo)識(shí)符（semget函數(shù)的返回值），只有semget函數(shù)才直接使用信號(hào)量鍵，所有其他的信號(hào)量函數(shù)使用由semget函數(shù)返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符。如果多個(gè)程序使用相同的key值，key將負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)工作。

• 第二個(gè)參數(shù)num_sems指定需要的信號(hào)量數(shù)目，它的值幾乎總是1。

• 第三個(gè)參數(shù)sem_flags是一組標(biāo)志，當(dāng)想要當(dāng)信號(hào)量不存在時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新的信號(hào)量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。設(shè)置了IPC_CREAT標(biāo)志后，即使給出的鍵是一個(gè)已有信號(hào)量的鍵，也不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。而IPC_CREAT | IPC_EXCL則可以創(chuàng)建一個(gè)新的，唯一的信號(hào)量，如果信號(hào)量已存在，返回一個(gè)錯(cuò)誤。

semget函數(shù)成功返回一個(gè)相應(yīng)信號(hào)標(biāo)識(shí)符（非零），失敗返回-1.

semop函數(shù)

它的作用是改變信號(hào)量的值，原型為：

int semop(int sem_id, struct sembuf *sem_opa, size_t num_sem_ops);

sem_id是由semget返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，sembuf結(jié)構(gòu)的定義如下：

struct sembuf{  
    short sem_num;//除非使用一組信號(hào)量，否則它為0  
    short sem_op;//信號(hào)量在一次操作中需要改變的數(shù)據(jù)，通常是兩個(gè)數(shù)，一個(gè)是-1，即P（等待）操作，  
                    //一個(gè)是+1，即V（發(fā)送信號(hào)）操作。  
    short sem_flg;//通常為SEM_UNDO,使操作系統(tǒng)跟蹤信號(hào)，  
                    //并在進(jìn)程沒有釋放該信號(hào)量而終止時(shí)，操作系統(tǒng)釋放信號(hào)量  
};

semctl函數(shù)

int semctl(int sem_id, int sem_num, int command, ...);

如果有第四個(gè)參數(shù)，它通常是一個(gè)union semum結(jié)構(gòu)，定義如下：

union semun{  
    int val;  struct semid_ds *buf;  
    unsigned short *arry;  
};

前兩個(gè)參數(shù)與前面一個(gè)函數(shù)中的一樣，command通常是下面兩個(gè)值中的其中一個(gè)
SETVAL：用來把信號(hào)量初始化為一個(gè)已知的值。p 這個(gè)值通過union semun中的val成員設(shè)置，其作用是在信號(hào)量第一次使用前對(duì)它進(jìn)行設(shè)置。
IPC_RMID：用于刪除一個(gè)已經(jīng)無需繼續(xù)使用的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符。

什么是Linux系統(tǒng)

Linux是一種免費(fèi)使用和自由傳播的類UNIX操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)，使用Linux能運(yùn)行主要的Unix工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

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