作者丨二營長的意大利炮手

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進程間的通信方式：

?? ?每個進程各自有不同的用戶地址空間玷犹，任何一個進程的全局變量在另一個進程中都看不到，所以進程之間要交換數(shù)據(jù)必須通過內(nèi)核，在內(nèi)核中開辟一塊緩沖區(qū)亭病，進程1把數(shù)據(jù)從用戶空間拷到內(nèi)核緩沖區(qū)，進程2再從內(nèi)核緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走剿配，內(nèi)核提供的這種機制稱為進程間通信（IPC皂岔，InterProcess Communication）考抄。

1. 管道/匿名管道(pipe)

? ? ? ?管道是半雙工的渗勘，數(shù)據(jù)只能向一個方向流動沐绒；需要雙方通信時，需要建立起兩個管道旺坠。只能用于父子進程或者兄弟進程之間(具有親緣關(guān)系的進程);管道的實質(zhì)是一個內(nèi)核緩沖區(qū)乔遮，進程以先進先出的方式從緩沖區(qū)存取數(shù)據(jù)，管道一端的進程順序的將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)取刃，另一端的進程則順序的讀出數(shù)據(jù)蹋肮。該緩沖區(qū)可以看做是一個循環(huán)隊列，讀和寫的位置都是自動增長的璧疗，不能隨意改變坯辩，一個數(shù)據(jù)只能被讀一次，讀出來以后在緩沖區(qū)就不復(fù)存在了崩侠。

2. 有名管道(FIFO)

管道類似與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的隊列漆魔。有名管道不同于匿名管道之處在于它提供了一個路徑名與之關(guān)聯(lián)，以有名管道的文件形式存在于文件系統(tǒng)中却音，這樣有送，即使與有名管道的創(chuàng)建進程不存在親緣關(guān)系的進程，只要可以訪問該路徑僧家，就能夠彼此通過有名管道相互通信雀摘，因此，通過有名管道不相關(guān)的進程也能交換數(shù)據(jù)八拱。值的注意的是阵赠，有名管道嚴(yán)格遵循先進先出(first in first out),對匿名管道及有名管道的讀總是從開始處返回數(shù)據(jù)，對它們的寫則把數(shù)據(jù)添加到末尾肌稻。

?無名管道阻塞問題：無名管道無需顯示打開清蚀，創(chuàng)建時直接返回文件描述符，在讀寫時需要確定對方的存在爹谭，否則將退出枷邪。如果當(dāng)前進程向無名管道的一端寫數(shù)據(jù)，必須確定另一端有某一進程诺凡。如果寫入無名管道的數(shù)據(jù)超過其最大值东揣，寫操作將阻塞，如果管道中沒有數(shù)據(jù)腹泌，讀操作將阻塞嘶卧，如果管道發(fā)現(xiàn)另一端斷開，將自動退出凉袱。

? ? ?有名管道阻塞問題：有名管道在打開時需要確實對方的存在芥吟，否則將阻塞侦铜。即以讀方式打開某管道，在此之前必須一個進程以寫方式打開管道钟鸵，否則阻塞钉稍。此外，可以以讀寫（O_RDWR）模式打開有名管道棺耍，即當(dāng)前進程讀贡未，當(dāng)前進程寫，不會阻塞烈掠。

3. 信號(Signal)

信號是Linux系統(tǒng)中用于進程間互相通信或者操作的一種機制羞秤，信號可以在任何時候發(fā)給某一進程缸托，而無需知道該進程的狀態(tài)左敌。

如果該進程當(dāng)前并未處于執(zhí)行狀態(tài)，則該信號就有內(nèi)核保存起來俐镐，知道該進程回復(fù)執(zhí)行并傳遞給它為止矫限。

如果一個信號被進程設(shè)置為阻塞，則該信號的傳遞被延遲佩抹，直到其阻塞被取消是才被傳遞給進程叼风。

Linux系統(tǒng)中常用信號：

（1）SIGHUP：用戶從終端注銷，所有已啟動進程都將收到該進程棍苹。系統(tǒng)缺省狀態(tài)下對該信號的處理是終止進程无宿。

（2）SIGINT：程序終止信號。程序運行過程中枢里，按Ctrl+C鍵將產(chǎn)生該信號孽鸡。

（3）SIGQUIT：程序退出信號。程序運行過程中栏豺，按Ctrl+鍵將產(chǎn)生該信號彬碱。

（4）SIGBUS和SIGSEGV：進程訪問非法地址。

（5）SIGFPE：運算中出現(xiàn)致命錯誤奥洼，如除零操作巷疼、數(shù)據(jù)溢出等。

（6）SIGKILL：用戶終止進程執(zhí)行信號灵奖。shell下執(zhí)行kill -9發(fā)送該信號嚼沿。

（7）SIGTERM：結(jié)束進程信號。shell下執(zhí)行kill 進程pid發(fā)送該信號瓷患。

（8）SIGALRM：定時器信號伏尼。

（9）SIGCLD：子進程退出信號。如果其父進程沒有忽略該信號也沒有處理該信號尉尾，則子進程退出后將形成僵尸進程爆阶。

信號來源

信號是軟件層次上對中斷機制的一種模擬，是一種異步通信方式，辨图，信號可以在用戶空間進程和內(nèi)核之間直接交互班套，內(nèi)核可以利用信號來通知用戶空間的進程發(fā)生了哪些系統(tǒng)事件，信號事件主要有兩個來源：

硬件來源：用戶按鍵輸入Ctrl+C退出故河、硬件異常如無效的存儲訪問等吱韭。

軟件終止：終止進程信號、其他進程調(diào)用kill函數(shù)鱼的、軟件異常產(chǎn)生信號理盆。

信號生命周期和處理流程

（1）信號被某個進程產(chǎn)生，并設(shè)置此信號傳遞的對象（一般為對應(yīng)進程的pid）凑阶，然后傳遞給操作系統(tǒng)猿规；

（2）操作系統(tǒng)根據(jù)接收進程的設(shè)置（是否阻塞）而選擇性的發(fā)送給接收者，如果接收者阻塞該信號（且該信號是可以阻塞的）宙橱，操作系統(tǒng)將暫時保留該信號姨俩，而不傳遞，直到該進程解除了對此信號的阻塞（如果對應(yīng)進程已經(jīng)退出师郑，則丟棄此信號）环葵，如果對應(yīng)進程沒有阻塞，操作系統(tǒng)將傳遞此信號宝冕。

（3）目的進程接收到此信號后张遭，將根據(jù)當(dāng)前進程對此信號設(shè)置的預(yù)處理方式，暫時終止當(dāng)前代碼的執(zhí)行地梨，保護上下文（主要包括臨時寄存器數(shù)據(jù)菊卷，當(dāng)前程序位置以及當(dāng)前CPU的狀態(tài)）、轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序湿刽，執(zhí)行完成后在回復(fù)到中斷的位置的烁。當(dāng)然，對于搶占式內(nèi)核诈闺，在中斷返回時還將引發(fā)新的調(diào)度渴庆。

4. 消息(Message)隊列

消息隊列是存放在內(nèi)核中的消息鏈表，每個消息隊列由消息隊列標(biāo)識符表示雅镊。

與管道（無名管道：只存在于內(nèi)存中的文件襟雷；命名管道：存在于實際的磁盤介質(zhì)或者文件系統(tǒng)）不同的是消息隊列存放在內(nèi)核中，只有在內(nèi)核重啟(即仁烹，操作系統(tǒng)重啟)或者顯示地刪除一個消息隊列時耸弄，該消息隊列才會被真正的刪除。

另外與管道不同的是卓缰，消息隊列在某個進程往一個隊列寫入消息之前计呈，并不需要另外某個進程在該隊列上等待消息的到達砰诵。延伸閱讀：消息隊列C語言的實踐

消息隊列特點總結(jié)：
（1）消息隊列是消息的鏈表,具有特定的格式,存放在內(nèi)存中并由消息隊列標(biāo)識符標(biāo)識.

（2）消息隊列允許一個或多個進程向它寫入與讀取消息.

（3）管道和消息隊列的通信數(shù)據(jù)都是先進先出的原則。

（4）消息隊列可以實現(xiàn)消息的隨機查詢,消息不一定要以先進先出的次序讀取,也可以按消息的類型讀取.比FIFO更有優(yōu)勢捌显。

（5）消息隊列克服了信號承載信息量少茁彭，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。

（6）目前主要有兩種類型的消息隊列：POSIX消息隊列以及System V消息隊列扶歪，系統(tǒng)V消息隊列目前被大量使用理肺。系統(tǒng)V消息隊列是隨內(nèi)核持續(xù)的，只有在內(nèi)核重起或者人工刪除時善镰，該消息隊列才會被刪除妹萨。

5. 共享內(nèi)存(share memory)

使得多個進程可以可以直接讀寫同一塊內(nèi)存空間，是最快的可用IPC形式炫欺。是針對其他通信機制運行效率較低而設(shè)計的乎完。

為了在多個進程間交換信息，內(nèi)核專門留出了一塊內(nèi)存區(qū)竣稽，可以由需要訪問的進程將其映射到自己的私有地址空間囱怕。進程就可以直接讀寫這一塊內(nèi)存而不需要進行數(shù)據(jù)的拷貝霍弹，從而大大提高效率毫别。

由于多個進程共享一段內(nèi)存，因此需要依靠某種同步機制（如信號量）來達到進程間的同步及互斥典格。

延伸閱讀：Linux支持的主要三種共享內(nèi)存方式：mmap()系統(tǒng)調(diào)用岛宦、Posix共享內(nèi)存，以及System V共享內(nèi)存實踐

6. 信號量(semaphore)

信號量是一個計數(shù)器耍缴，用于多進程對共享數(shù)據(jù)的訪問砾肺，信號量的意圖在于進程間同步。

為了獲得共享資源防嗡，進程需要執(zhí)行下列操作：

（1）創(chuàng)建一個信號量：這要求調(diào)用者指定初始值变汪，對于二值信號量來說，它通常是1蚁趁，也可是0裙盾。

（2）等待一個信號量：該操作會測試這個信號量的值，如果小于0他嫡，就阻塞番官。也稱為P操作。

（3）掛出一個信號量：該操作將信號量的值加1钢属，也稱為V操作徘熔。

為了正確地實現(xiàn)信號量，信號量值的測試及減1操作應(yīng)當(dāng)是原子操作淆党。為此酷师，信號量通常是在內(nèi)核中實現(xiàn)的讶凉。Linux環(huán)境中，有三種類型：Posix（可移植性操作系統(tǒng)接口）有名信號量（使用Posix IPC名字標(biāo)識）山孔、Posix基于內(nèi)存的信號量（存放在共享內(nèi)存區(qū)中）缀遍、System V信號量（在內(nèi)核中維護）。這三種信號量都可用于進程間或線程間的同步饱须。

兩個進程使用一個二值信號量

兩個進程所以用一個Posix有名二值信號量

信號量與普通整型變量的區(qū)別：

（1）信號量是非負(fù)整型變量域醇，除了初始化之外，它只能通過兩個標(biāo)準(zhǔn)原子操作：wait(semap) , signal(semap) ; 來進行訪問蓉媳；

（2）操作也被成為PV原語（P來源于荷蘭語proberen"測試"譬挚，V來源于荷蘭語verhogen"增加"，P表示通過的意思酪呻，V表示釋放的意思）减宣，而普通整型變量則可以在任何語句塊中被訪問；

信號量與互斥量之間的區(qū)別：

（1）互斥量用于線程的互斥玩荠，信號量用于線程的同步漆腌。這是互斥量和信號量的根本區(qū)別，也就是互斥和同步之間的區(qū)別阶冈。

互斥：是指某一資源同時只允許一個訪問者對其進行訪問闷尿，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序女坑，即訪問是無序的填具。

同步：是指在互斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過其它機制實現(xiàn)訪問者對資源的有序訪問匆骗。

在大多數(shù)情況下劳景，同步已經(jīng)實現(xiàn)了互斥，特別是所有寫入資源的情況必定是互斥的碉就。少數(shù)情況是指可以允許多個訪問者同時訪問資源

（2）互斥量值只能為0/1盟广，信號量值可以為非負(fù)整數(shù)。

也就是說瓮钥，一個互斥量只能用于一個資源的互斥訪問筋量，它不能實現(xiàn)多個資源的多線程互斥問題。信號量可以實現(xiàn)多個同類資源的多線程互斥和同步骏庸。當(dāng)信號量為單值信號量是毛甲，也可以完成一個資源的互斥訪問。

（3）互斥量的加鎖和解鎖必須由同一線程分別對應(yīng)使用具被，信號量可以由一個線程釋放玻募，另一個線程得到。

7. 套接字(socket)

套接字是一種通信機制一姿，憑借這種機制七咧，客戶/服務(wù)器（即要進行通信的進程）系統(tǒng)的開發(fā)工作既可以在本地單機上進行跃惫，也可以跨網(wǎng)絡(luò)進行。也就是說它可以讓不在同一臺計算機但通過網(wǎng)絡(luò)連接計算機上的進程進行通信艾栋。

Socket是應(yīng)用層和傳輸層之間的橋梁爆存。

套接字是支持TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元，可以看做是不同主機之間的進程進行雙向通信的端點蝗砾，簡單的說就是通信的兩方的一種約定先较，用套接字中的相關(guān)函數(shù)來完成通信過程。

套接字特性

套接字的特性由3個屬性確定悼粮，它們分別是：域闲勺、端口號、協(xié)議類型扣猫。

（1）套接字的域

它指定套接字通信中使用的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)菜循，最常見的套接字域有兩種：

一是AF_INET，它指的是Internet網(wǎng)絡(luò)申尤。當(dāng)客戶使用套接字進行跨網(wǎng)絡(luò)的連接時癌幕，它就需要用到服務(wù)器計算機的IP地址和端口來指定一臺聯(lián)網(wǎng)機器上的某個特定服務(wù)，所以在使用socket作為通信的終點昧穿，服務(wù)器應(yīng)用程序必須在開始通信之前綁定一個端口勺远，服務(wù)器在指定的端口等待客戶的連接。

另一個域AF_UNIX粤咪，表示UNIX文件系統(tǒng)谚中，它就是文件輸入/輸出渴杆，而它的地址就是文件名寥枝。

（2）套接字的端口號

每一個基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊的程序(進程)都被賦予了唯一的端口和端口號，端口是一個信息緩沖區(qū)磁奖，用于保留Socket中的輸入/輸出信息茸塞，端口號是一個16位無符號整數(shù)丰捷，范圍是0-65535，以區(qū)別主機上的每一個程序（端口號就像房屋中的房間號），低于256的端口號保留給標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序弧满，比如pop3的端口號就是110，每一個套接字都組合進了IP地址锭环、端口禾酱，這樣形成的整體就可以區(qū)別每一個套接字。

（3）套接字協(xié)議類型

因特網(wǎng)提供三種通信機制霉赡，一是流套接字橄务，流套接字在域中通過TCP/IP連接實現(xiàn)，同時也是AF_UNIX中常用的套接字類型穴亏。流套接字提供的是一個有序蜂挪、可靠重挑、雙向字節(jié)流的連接，因此發(fā)送的數(shù)據(jù)可以確保不會丟失棠涮、重復(fù)或亂序到達谬哀，而且它還有一定的出錯后重新發(fā)送的機制。

二個是數(shù)據(jù)報套接字严肪，它不需要建立連接和維持一個連接史煎，它們在域中通常是通過UDP/IP協(xié)議實現(xiàn)的。它對可以發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度有限制驳糯，數(shù)據(jù)報作為一個單獨的網(wǎng)絡(luò)消息被傳輸,它可能會丟失劲室、復(fù)制或錯亂到達，UDP不是一個可靠的協(xié)議结窘，但是它的速度比較高很洋，因為它并一需要總是要建立和維持一個連接。

三是原始套接字隧枫，原始套接字允許對較低層次的協(xié)議直接訪問喉磁，比如IP、 ICMP協(xié)議官脓，它常用于檢驗新的協(xié)議實現(xiàn)协怒，或者訪問現(xiàn)有服務(wù)中配置的新設(shè)備，因為RAW SOCKET可以自如地控制Windows下的多種協(xié)議卑笨，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)底層的傳輸機制進行控制孕暇，所以可以應(yīng)用原始套接字來操縱網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層應(yīng)用。比如赤兴，我們可以通過RAW SOCKET來接收發(fā)向本機的ICMP妖滔、IGMP協(xié)議包，或者接收TCP/IP棧不能夠處理的IP包桶良，也可以用來發(fā)送一些自定包頭或自定協(xié)議的IP包座舍。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽技術(shù)很大程度上依賴于SOCKET_RAW。

原始套接字與標(biāo)準(zhǔn)套接字的區(qū)別在于：原始套接字可以讀寫內(nèi)核沒有處理的IP數(shù)據(jù)包陨帆，而流套接字只能讀取TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)曲秉，數(shù)據(jù)報套接字只能讀取UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)。因此疲牵，如果要訪問其他協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)必須使用原始套接字承二。

服務(wù)器端

（1）首先服務(wù)器應(yīng)用程序用系統(tǒng)調(diào)用socket來創(chuàng)建一個套接字，它是系統(tǒng)分配給該服務(wù)器進程的類似文件描述符的資源纲爸，它不能與其他的進程共享亥鸠。

（2）然后，服務(wù)器進程會給套接字起個名字缩焦，我們使用系統(tǒng)調(diào)用bind來給套接字命名读虏。然后服務(wù)器進程就開始等待客戶連接到這個套接字责静。

（3）接下來，系統(tǒng)調(diào)用listen來創(chuàng)建一個隊列并將其用于存放來自客戶的進入連接盖桥。

（4）最后灾螃，服務(wù)器通過系統(tǒng)調(diào)用accept來接受客戶的連接。它會創(chuàng)建一個與原有的命名套接不同的新套接字揩徊，這個套接字只用于與這個特定客戶端進行通信腰鬼，而命名套接字（即原先的套接字）則被保留下來繼續(xù)處理來自其他客戶的連接（建立客戶端和服務(wù)端的用于通信的流，進行通信）塑荒。

客戶端

（1）客戶應(yīng)用程序首先調(diào)用socket來創(chuàng)建一個未命名的套接字熄赡，然后將服務(wù)器的命名套接字作為一個地址來調(diào)用connect與服務(wù)器建立連接。

（2）一旦連接建立齿税，我們就可以像使用底層的文件描述符那樣用套接字來實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)的通信（通過流進行數(shù)據(jù)傳輸）彼硫。