Linux進程通信(IPC)方式簡介

　　linux下進程間通信的幾種主要方式：管道(pipe)和有名管道(FIFO)、信號(signal)、消息隊列、共享內存(shared memory)、信號量(semaphore)、套接字(socket)，本文對這些做簡單介紹

　　進程間通信的目的

　　數據傳輸：一個進程需要將它的數據發送給另一個進程，發送的數據量在一個字節到幾兆字節之間。

　　共享數據：多個進程想要操作共享數據，一個進程對共享數據的修改，別的進程應該立刻看到。

　　通知事件：一個進程需要向另一個或一組進程發送消息，通知它(它們)發生了某種事件(如進程終止時要通知父進程)。

　　資源共享：多個進程之間共享同樣的資源。為了作到這一點，需要內核提供鎖和同步機制。

　　進程控制：有些進程希望完全控制另一個進程的執行(如Debug進程)，此時控制進程希望能夠攔截另一個進程的所有陷入和異常，並能夠及時知道它的狀態改變。

　　進程通信方式

　　linux下進程間通信的幾種主要方式：

　　(1)管道(pipe)和有名管道(FIFO)

　　(2)信號(signal)

　　(3)消息隊列

　　(4)共享內存(shared memory)

　　(5)信號量(semaphore)

　　(6)套接字(socket)

　　管道

　　管道(pipe)及有名管道(named pipe)：管道可用於具有親緣關系進程間的通信，有名管道克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關系進程間的通信。

　　管道是單向的、先進先出的、無結構的、固定大小的字節流，它把一個進程的標准輸出和另一個進程的標准輸入連接在一起。寫進程在管道的尾端寫入數據，讀進程在管道的首端讀出數據。數據讀出後將從管道中移走，其它讀進程都不能再讀到這些數據。管道提供了簡單的流控制機制。進程試圖讀空管道時，在有數據寫入管道前，進程將一直阻塞。同樣，管道已經滿時，進程再試圖寫管道，在其它進程從管道中移走數據之前，寫進程將一直阻塞。通常有種限制,一是半雙工,只能單向傳輸;二是只能在父子進程間使用。

　　有名管道(也叫FIFO，因為管道工作在先入先出的原則下，第一個寫入管道的數據也是第一個被讀出的數據)。與管道不同，FIFO不是臨時的對象，它們是文件系統中真正的實體，可以用mkfifo命令創建。只要有合適的訪問權限，進程就可以使用FIFO。FIFO的打開方式和管道稍微不同。一個管道(它的兩個file數據結構、VFS I節點和共享數據頁)是一次性創建的，而FIFO已經存在，可以由它的用戶打開和關閉。Linux必須處理在寫進程打開FIFO之前讀進程對它的打開，也必須處理在寫進程寫數據之前讀進程對管道的讀。除此以外，FIFO幾乎和管道的處理完全一樣，而且它們使用一樣的數據結構和操作。

　　信號

　　信號(signal)：信號是比較復雜的通信方式，用於通知接受進程有某種事件發生，除了用於進程間通信外，進程還可以發送信號給進程本身;linux除了支持Unix早期信號語義函數sigal外，還支持語義符合Posix.1標准的信號函數sigaction(實際上，該函數是基於BSD的，BSD為了實現可靠信號機制，又能夠統一對外接口，用sigaction函數重新實現了signal函數)。

　　信號是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬，是一種異步通信方式。

　　信號可以直接進行用戶空間進程和內核進程之間的交互，內核進程也可以利用它來通知用戶空間進程發生了哪些系統事件。它可以在任何時候發給某一進程，而無需知道該進程的狀態。

　　如果該進程當前並未處於執行態，則該信號就由內核保存起來，直到該進程恢復執行再傳遞給它;如果一個信號被進程設置為阻塞，則該信號的傳遞被延遲，直到其阻塞被取消時才被傳遞給進程 。

　　進程執行信號的方式：

　　忽略信號，即對信號不做任何處理，其中，有兩個信號不能忽略：SIGKILL及SIGSTOP。

　　捕捉信號，定義信號處理函數，當信號發生時，執行相應的處理函數。

　　執行缺省操作，Linux對每種信號都規定了默認操作。

　　消息隊列

　　消息隊列：消息隊列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊列System V消息隊列。有足夠權限的進程可以向隊列中添加消息，被賦予讀權限的進程則可以讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信號承載信息量少，管道只能承載無格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點。

　　消息隊列的實現包括創建或打開消息隊列、添加消息、讀取消息和控制消息隊列這四種操作：

　　創建或打開消息隊列使用的函數是msgget，這裡創建的消息隊列的數量會受到系統消息隊列數量的限制。

　　添加消息使用的函數是msgsnd函數，它把消息添加到已打開的消息隊列末尾。

　　讀取消息使用的函數是msgrcv，它把消息從消息隊列中取走，與FIFO不同的是，這裡可以指定取走某一條消息。

　　控制消息隊列使用的函數是msgctl，它可以完成多項功能。

　　信號量/信號燈

　　信號量(semaphore)：主要作為進程間以及同一進程不同線程之間的同步手段。信號量是用來解決進程之間的同步與互斥問題的一種進程之間通信機制，包括一個稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進程等待隊列，以及對信號量進行的兩個原子操作(PV操作)。其中信號量對應於某一種資源，取一個非負的整型值。信號量值指的是當前可用的該資源的數量，若它等於0則意味著目前沒有可用的資源。

　　P操作：如果有可用的資源(信號量值>0)，則占用一個資源(給信號量值減去一，進入臨界區代碼)。如果沒有可用的資源(信號量值等於0)，則被阻塞到，直到系統將資源分配給該進程(進入等待隊列，一直等到資源輪到該進程)。

　　V操作：如果在該信號量的等待隊列中有進程在等待資源，則喚醒一個阻塞進程。如果沒有進程等待它，則釋放一個資源(給信號量值加一)。

　　共享內存

　　共享內存(shared memory)可以說是最有用的進程間通信方式，也是最快的IPC形式。兩個不同進程A、B共享內存的意思是，同一塊物理內存被映射到進程A、B各自的進程地址空間。進程A可以即時看到進程B對共享內存中數據的更新，反之亦然。由於多個進程共享同一塊內存區域，必然需要某種同步機制，互斥鎖和信號量都可以。

　　采用共享內存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進程可以直接讀寫內存，而不需要任何數據的拷貝。對於像管道和消息隊列等通信方式，則需要在內核和用戶空間進行四次的數據拷貝，而共享內存則只拷貝兩次數據：一次從輸入文件到共享內存區，另一次從共享內存區到輸出文件。實際上，進程之間在共享內存時，並不總是讀寫少量數據後就解除映射，有新的通信時，再重新建立共享內存區域。而是保持共享區域，直到通信完畢為止，這樣，數據內容一直保存在共享內存中，並沒有寫回文件。共享內存中的內容往往是在解除映射時才寫回文件的。因此，采用共享內存的通信方式效率是非常高的。

　　共享內存實現的步驟：

　　1.創建共享內存，這裡用到的函數是shmget，也就是從內存中獲得一段共享內存區域。

　　2.映射共享內存，也就是把這段創建的共享內存映射到具體的進程空間中去，這裡使用的函數是shmat。

　　3.使用不帶緩沖的I/O讀寫命令對其進行操作。

　　4.撤銷映射的操作，其函數為shmdt。

　　套接口

　　套接口(socket)：更為一般的進程間通信機制，可用於不同機器之間的進程間通信。起初是由Unix系統的BSD分支開發出來的，但現在一般可以移植到其它類Unix系統上：Linux和System V的變種都支持套接字。