linux进程通信

1.进程通信的目的

  （1）数据传输，将数据从一个进程传送给另外一个进程

  （2）共享数据，多个进程操作共享数据

  （3）通知，如一个进程结束时需要通知父进程

  （4）资源共享，需要引入锁机制

  （5）有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

2.进程通信方式

（1）管道：管道是由内核管理的一个缓冲区，相当于我们放入内存中的一个纸条；管道是一个进程连接数据流到另一个进程的通道，它通常是用作把一个进程的输出通过管道连接到另一个进程的输入，例如shell脚本中的管道操作符，可分为匿名管道和命名管道，在匿名管道中，因此你通信的两个进程必须是父子关系，管道写函数通过将字节复制到 VFS 索引节点指向的物理内存而写入数据，而管道读函数则通过复制物理内存中的字节而读出数据，当然，内核必须利用一定的机制同步对管道的访问，为此，内核使用了锁、等待队列和信号。

FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件，而另一个进程以写(w)的方式打开该文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道，所以FIFO实际上也由内核管理，不与硬盘打交道。之所以叫FIFO，是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最早放入的数据被最先读出来，从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统(file system,命名管道是一种特殊类型的文件，因为Linux中所有事物都是文件，它在文件系统中以文件名的形式存在。)来为管道命名。写模式的进程向FIFO文件中写入，而读模式的进程从FIFO文件中读出。当删除FIFO文件时，管道连接也随之消失。FIFO的好处在于我们可以通过文件的路径来识别管道，从而让没有亲缘关系的进程之间建立连接。

（2）信号

    一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。信号机制除了基本通知功能外，还可以传递附加信息。信号全称为软中断信号，也有人称作软中断。从它的命名可以看出，它的实质和使用很象中断，进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核也可以因为内部事件而给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。注意，信号只是用来通知某进程发生了什么事件，并不给该进程传递任何数据。 

   收到信号的进程对各种信号有不同的处理方法。处理方法可以分为三类：第一种是类似中断的处理程序，对于需要处理的信号，进程可以指定处理函数，由该函数来处理。第二种方法是，忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就象未发生过一样。第三种方法是，对该信号的处理保留系统的默认值，这种缺省操作，对大部分的信 号的缺省操作是使得进程终止。进程通过系统调用signal来指定进程对某个信号的处理行为，linux中可通过kill -l 命令来查看由哪些信号 。

   信号的生命周期与处理过程：信号产生->信号注册－>信号在进程中注销->信号处理函数执行完毕，进程收到信号后并不是立即处理，而是在恰当的时候处理，信号处理的时机有内核空间返回到用户空间的前夕、进程在内核空间被唤醒、中断返回。

   信号的处理过程：

      每个进程都会采用一个进程控制块对其进行描述，进程控制块中设计了一个signal的位图信息，其中的每位与具体的signal相对应，这与中断机制是保持一致的。当系统中一个进程A通过signal系统调用向进程B发送signal时，设置进程B的对应signal位图，类似于触发了signal对应中断。发送signal只是“中断”触发的一个过程，具体执行会在两个阶段发生：

     system call返回：进程B由于调用了system call后，从内核返回用户态时需要检查他拥有的signal位图信息表，此时是一个执行点。

     中断返回：进程被系统中断打断之后，系统将CPU交给进程时，需要检查即将执行进程所拥有的signal位图信息表，此时也是一个执行点。

    signal的执行点可以理解成从内核态返回用户态时，在返回时，如果发现待执行进程存在被触发的signal，那么在离开内核态之后（也就是将CPU切换到用户模式），执行用户进程为该signal绑定的signal处理函数，从这一点上看，signal处理函数是在用户进程上下文中执行的。当执行完signal处理函数之后，再返回到用户进程被中断或者system call（软中断或者指令陷阱）打断的地方。

（3）信号量：

       信号量是用来调协进程对共享资源的访问的，其中共享内存的使用就要用到信号量。

  ①  创建或打开消息队列。使用的函数是msgget()，这里创建的消息队列的数量会受到系统消息队列数量的限制。

  ②  添加消息。使用的函数是msgsnd()，它把消息添加到已打开的消息队列末尾。

  ③  读取消息。使用的函数是msgrcv()，它把消息从消息队列中取走，与FIFO不同的是，这里可以取走指定的某一条消息。

  ④  控制消息队列。使用的函数是msgctl()，它可以完成多项功能。

（5）共享内存

    共享内存方式可以在多个进程直接共享数据，因为其直接使用内存，不要多余的拷贝，是速度最快的IPC方式；

    共享内存有两种实现方式，使用mmap和shm方式

    mmap方式是将文件与进程地址空间进行映射，对实际物理内存影响小

    shm方式是将每个进程的共享内存与实际物理存储器进行映射，对实际物理内存影响大

        共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。

       进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。

      采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。

        对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，

      而共享内存则只拷贝两次数据，一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件，实际上，进程之间在共享内存时，并不总是读写少量数据后就解除映射，有新的通信时，再重新建 立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回 文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。

（6）socket（套接字）：

    使用套接字除了可以实现网络间不同主机间的通信外，还可以实现同一主机的不同进程间的通信，且建立的通信是双向的通信。socket进程通信与网络通信使用的是统一套接口，只是地址结构与某些参数不同。