进程间通信

进程间通信
2010年09月12日
　　进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息，那么不同进程之间存在着什么双方都可以访问的介质呢？进程的用户空间是互相独立的，一般而言是不能互相访问的，唯一的例外是共享内存区。但是，系统空间 却是"公共场所"，所以内核显然可以提供这样的条件。除此以外，那就是双方都可以访问的外设 了。在这个意义上，两个进程当然也可以通过磁盘上的普通文件 交换信息，或者通过"注册表 "或其它数据库中的某些表项和记录 交换信息。广义上这也是进程间通信的手段，但是一般都不把这算作"进程间通信"。因为那些通信手段的效率太低了，而人们对进程间通信的要求是要有一定的实时性。
　　进程间通信主要包括管道, 系统IPC(包括消息队列,信号量,共享存储), SOCKET.
　　管道包括三种:1)普通管道PIPE, 通常有种限制,一是半双工,只能单向传输;二是只能在父子进程间使用. 2)流管道s_pipe: 去除了第一种限制,可以双向传输. 3)命名管道:name_pipe, 去除了第二种限制,可以在许多并不相关的进程之间进行通讯.
　　系统IPC的三种方式类同,都是使用了内核里的标识符来识别. 
　　FAQ1: 管道与文件描述符,文件指针的关系?
　　答: 其实管道的使用方法与文件类似,都能使用read,write,open等普通IO函数. 管道描述符来类似于文件描述符. 事实上, 管道使用的描述符, 文件指针和文件描述符最终都会转化成系统中SOCKET描述符. 都受到系统内核中SOCKET描述符的限制. 本质上LINUX内核源码中管道是通过空文件来实现.
　　FAQ2: 管道的使用方法?
　　答: 主要有下面几种方法: 1)pipe, 创建一个管道,返回2个管道描述符.通常用于父子进程之间通讯. 2)popen, pclose: 这种方式只返回一个管道描述符,常用于通信另一方是stdin or stdout; 3)mkpipe: 命名管道, 在许多进程之间进行交互.
　　FAQ3: 管道与系统IPC之间的优劣比较?
　　答: 管道: 优点是所有的UNIX实现都支持, 并且在最后一个访问管道的进程终止后,管道就被完全删除;缺陷是管道只允许单向传输或者用于父子进程之间.
　　系统IPC: 优点是功能强大,能在毫不相关进程之间进行通讯; 缺陷是关键字KEY_T使用了内核标识,占用了内核资源,而且只能被显式删除,而且不能使用SOCKET的一些机制,例如select,epoll等.
　　FAQ4: WINDOS进程间通信与LINUX进程间通信的关系?
　　答: 事实上,WINDOS的进程通信大部分移植于UNIX, WINDOS的剪贴板,文件映射等都可从UNIX进程通信的共享存储中找到影子. 
　　FAQ5: 进程间通信与线程间通信之间的关系?\
　　答: 因为WINDOWS运行的实体是线程, 狭义上的进程间通信其实是指分属于不同进程的线程之间的通讯.而单个进程之间的线程同步问题可归并为一种特殊的进程通信.它要用到内核支持的系统调用来保持线程之间同步. 通常用到的一些线程同步方法包括:Event, Mutex, 信号量Semaphore, 临界区资源等. 类型 无连接 可靠 流控制 记录 消息类型优先级 普通PIPE N Y Y   N 流PIPE N Y Y   N 命名PIPE(FIFO) N Y Y   N 消息队列 N Y Y   Y 信号量 N Y Y   Y 共享存储 N Y Y   Y UNIX流SOCKET N Y Y   N UNIX数据包SOCKET Y Y N   N 注: 无连接: 指无需调用某种形式的OPEN,就有发送消息的能力
　　流控制: 如果系统资源短缺或者不能接收更多消息,则发送进程能进行流量控制
　　inux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，如图 示： 
　　
　　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。
　　图一给出了linux 所支持的各种IPC手段，在本文接下来的讨论中，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下，所有问题的讨论最终都会归结到 Linux环境下的进程间通信上来。并且，对于Linux所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本），将主要介绍Posix API。
　　linux下进程间通信的几种主要手段简介： 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（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；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数 是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；
　　报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。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。
　　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。
　　信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
　　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。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。 
　　下面将对上述通信机制做具体阐述。
　　附1：参考文献[2]中对linux环境下的进程进行了概括说明：
　　一般来说，linux下的进程包含以下几个关键要素： 有一段可执行程序；
　　有专用的系统堆栈空间；
　　内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；
　　具有独立的存储空间
　　进程和线程有时候并不完全区分，而往往根据上下文理解其含义。