标签：信号量 操作系统 通信 间通信 管道 内核 进程 socket

每个进程的⽤户地址空间都是独⽴的，⼀般⽽⾔是不能互相访问的，但内核空间是每个进程都共享的，所以进程之间要通信必须通过内核。

一、管道

1、管道如何创建呢，背后原理是什么？

匿名管道的创建，需要通过下⾯这个系统调⽤：

int pipe(int fd[2])

这⾥表示创建⼀个匿名管道，并返回了两个描述符，⼀个是管道的读取端描述符 fd[0] ，另⼀个是管道的写⼊端描述符 fd[1] 。注意，这个匿名管道是特殊的⽂件，只存在于内存，不存于⽂件系统中。

其实，所谓的管道，就是内核⾥⾯的⼀串缓存。从管道的⼀段写⼊的数据，实际上是缓存在内核中的，另⼀端读取，也就是从内核中读取这段数据。另外，管道传输的数据是⽆格式的流且⼤⼩受限。

看到这，你可能会有疑问了，这两个描述符都是在⼀个进程⾥⾯，并没有起到进程间通信的作⽤，怎么样才能使得管道是跨过两个进程的呢？

我们可以使⽤ fork 创建⼦进程，创建的⼦进程会复制⽗进程的⽂件描述符，这样就做到了两个进程各有两个「 fd[0] 与 fd[1] 」，两个进程就可以通过各⾃的 fd 写⼊和读取同⼀个管道⽂件实现跨进程通信了。

管道只能⼀端写⼊，另⼀端读出，所以上⾯这种模式容易造成混乱，因为⽗进程和⼦进程都可以同时写⼊，也都可以读出。那么，为了避免这种情况，通常的做法是：

• 父进程关闭读取的 fd[0]，只保留写⼊的 fd[1]；
• 子进程关闭写⼊的 fd[1]，只保留读取的 fd[0]；

所以说如果需要双向通信，则应该创建两个管道。

到这⾥，我们仅仅解析了使⽤管道进⾏⽗进程与⼦进程之间的通信，但是在我们 shell ⾥⾯并不是这样的。

在 shell ⾥⾯执⾏ A | B 命令的时候，A 进程和 B 进程都是 shell 创建出来的⼦进程，A 和 B 之间不存在⽗⼦关系，它俩的⽗进程都是 shell。

所以说，在 shell ⾥通过「 | 」匿名管道将多个命令连接在⼀起，实际上也就是创建了多个⼦进程，那么在我们编写 shell 脚本时，能使⽤⼀个管道搞定的事情，就不要多⽤⼀个管道，这样可以减少创建⼦进程的系统开销。

我们可以得知，对于匿名管道，它的通信范围是存在⽗⼦关系的进程。因为管道没有实体，也就是没有管道⽂件，只能通过 fork 来复制⽗进程 fd ⽂件描述符，来达到通信的⽬的。

另外，对于命名管道，它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道，提前创建了⼀个类型为管道的设备⽂件，在进程⾥只要使⽤这个设备⽂件，就可以相互通信。

不管是匿名管道还是命名管道，进程写⼊的数据都是缓存在内核中，另⼀个进程读取数据时候⾃然也是从内核中获取，同时通信数据都遵循先进先出原则，不⽀持 lseek 之类的⽂件定位操作。

二、消息队列

前⾯说到管道的通信⽅式是效率低的，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。

对于这个问题，消息队列的通信模式就可以解决。⽐如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。

再来，消息队列是保存在内核中的消息链表，在发送数据时，会分成⼀个⼀个独⽴的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是⽤户⾃定义的数据类型，消息的发送⽅和接收⽅要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定⼤⼩的存储块，不像管道是⽆格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体，内核就会把这个消息体删除。
消息队列⽣命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会⼀直存在，⽽前⾯提到的匿名管道的⽣命周期，是随进程的创建⽽建⽴，随进程的结束⽽销毁。

消息这种模型，两个进程之间的通信就像平时发邮件⼀样，你来⼀封，我回⼀封，可以频繁沟通了。

但邮件的通信⽅式存在不⾜的地⽅有两点，⼀是通信不及时，⼆是附件也有⼤⼩限制，这同样也是消息队列通信不⾜的点。

消息队列不适合⽐较⼤数据的传输， 因为在内核中每个消息体都有⼀个最⼤⻓度的限制，同时所有队列所包含的全部消息体的总⻓度也是有上限。在 Linux 内核中，会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB ，

它们以字节为单位，分别定义了⼀条消息的最⼤⻓度和⼀个队列的最⼤⻓度。

**消息队列通信过程中，存在⽤户态与内核态之间的数据拷⻉开销，**因为进程写⼊数据到内核中的消息队列时，会发⽣从⽤户态拷⻉数据到内核态的过程，同理另⼀进程读取内核中的消息数据时，会发⽣从内核态拷⻉数据到⽤户态的过程。

三、共享内存

消息队列的读取和写⼊的过程，都会有发⽣⽤户态与内核态之间的消息拷⻉过程。那共享内存的⽅式，就很好的解决了这⼀问题。

现代操作系统，对于内存管理，采⽤的是虚拟内存技术，也就是每个进程都有⾃⼰独⽴的虚拟内存空间，不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。所以，即使进程 A 和 进程 B 的虚拟地址是⼀样的，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。

共享内存的机制，就是拿出⼀块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写⼊的东⻄，另外⼀个进程⻢上就能看到了，都不需要拷⻉来拷⻉去，传来传去，⼤⼤提⾼了进程间通信的速度。

四、信号量

⽤了共享内存通信⽅式，带来新的问题，那就是如果多个进程同时修改同⼀个共享内存，很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写⼀个地址，那先写的那个进程会发现内容被别⼈覆盖了。

为了防⽌多进程竞争共享资源，⽽造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻只能被⼀个进程访问。正好，信号量就实现了这⼀保护机制。

信号量其实是⼀个整型的计数器，主要⽤于实现进程间的互斥与同步，⽽不是⽤于缓存进程间通信的数据。

信号量表示资源的数量，控制信号量的⽅式有两种原⼦操作：

• ⼀个是 P 操作，这个操作会把信号量减去 1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占⽤，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使⽤，进程可正常继续执⾏。
• 另⼀个是 V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运⾏；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；

P 操作是⽤在进⼊共享资源之前，V 操作是⽤在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的。

举个例⼦，如果要使得两个进程互斥访问共享内存，我们可以初始化信号量为 1 。

具体的过程如下：

• 进程 A 在访问共享内存前，先执⾏了 P 操作，由于信号量的初始值为 1，故在进程 A 执⾏ P 操作后信号量变为 0，表示共享资源可⽤，于是进程 A 就可以访问共享内存。
• 若此时，进程 B 也想访问共享内存，执⾏了 P 操作，结果信号量变为了 -1，这就意味着临界资源已被占⽤，因此进程 B 被阻塞。
• 直到进程 A 访问完共享内存，才会执⾏ V 操作，使得信号量恢复为 0，接着就会唤醒阻塞中的线程B，使得进程 B 可以访问共享内存，最后完成共享内存的访问后，执⾏ V 操作，使信号量恢复到初始值 1。

可以发现，信号初始化为 1 ，就代表着是互斥信号量，它可以保证共享内存在任何时刻只有⼀个进程在访问，这就很好的保护了共享内存。

五、信号

上⾯说的进程间通信，都是常规状态下的⼯作模式。对于异常情况下的⼯作模式，就需要⽤「信号」的⽅式来通知进程。

在 Linux 操作系统中， 为了响应各种各样的事件，提供了⼏⼗种信号，分别代表不同的意义。

运⾏在 shell 终端的进程，我们可以通过键盘输⼊某些组合键的时候，给进程发送信号。

• Ctrl+C 产⽣ SIGINT 信号，表示终⽌该进程；
• Ctrl+Z 产⽣ SIGTSTP 信号，表示停⽌该进程，但还未结束；

如果进程在后台运⾏，可以通过 kill 命令的⽅式给进程发送信号，但前提需要知道运⾏中的进程 PID号，例如：

• kill -9 1050 ，表示给 PID 为 1050 的进程发送 SIGKILL 信号，⽤来⽴即结束该进程；

信号事件的来源主要有硬件来源（如键盘 Cltr+C ）和软件来源（如 kill 命令）。

**信号是进程间通信机制中唯⼀的异步通信机制，**因为可以在任何时候发送信号给某⼀进程，⼀旦有信号产⽣，我们就有下⾯这⼏种，⽤户进程对信号的处理⽅式。

• 执⾏默认操作。 Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，上⾯列表中的 SIGTERM 信号，就是终⽌进程的意思。
• 捕捉信号。 我们可以为信号定义⼀个信号处理函数。当信号发⽣时，我们就执⾏相应的信号处理函数。
• 忽略信号。 当我们不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应⽤进程⽆法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP ，它们⽤于在任何时候中断或结束某⼀进程。

六、Socket

前⾯提到的管道、消息队列、共享内存、信号量和信号都是在同⼀台主机上进⾏进程间通信，那要想跨⽹络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了。

实际上，Socket 通信不仅可以跨⽹络与不同主机的进程间通信，还可以在同主机上进程间通信。

创建 socket 的系统调⽤：

int socket(int domain, int type, int protocal)

三个参数分别代表：

• domain 参数⽤来指定协议族，⽐如 AF_INET ⽤于 IPV4、AF_INET6 ⽤于 IPV6、
  AF_LOCAL/AF_UNIX ⽤于本机；
• type 参数⽤来指定通信特性，⽐如 SOCK_STREAM 表示的是字节流，对应 TCP、SOCK_DGRAM 表示的是数据报，对应 UDP、SOCK_RAW 表示的是原始套接字；
• protocal 参数原本是⽤来指定通信协议的，但现在基本废弃。因为协议已经通过前⾯两个参数指定完成，protocol ⽬前⼀般写成 0 即可；

根据创建 socket 类型的不同，通信的⽅式也就不同：

• 实现 TCP 字节流通信： socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM；
• 实现 UDP 数据报通信：socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM；
• 实现本地进程间通信： 「本地字节流 socket 」类型是 AF_LOCAL和SOCK_STREAM，「本地数据报 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外，AF_UNIX 和AF_LOCAL 是等价的，所以AF_UNIX 也属于本地 socket；

1、针对 TCP 协议通信的 socket 编程模型

• 服务端和客户端初始化 socket ，得到⽂件描述符；
• 服务端调⽤ bind ，将绑定在 IP 地址和端⼝;
• 服务端调⽤ listen ，进⾏监听；
• 服务端调⽤ accept ，等待客户端连接；
• 客户端调⽤ connect ，向服务器端的地址和端⼝发起连接请求；
• 服务端 accept 返回⽤于传输的 socket 的⽂件描述符；
• 客户端调⽤ write 写⼊数据；服务端调⽤ read 读取数据；
• 客户端断开连接时，会调⽤ close ，那么服务端 read 读取数据的时候，就会读取到了 EOF ，待处理完数据后，服务端调⽤ close ，表示连接关闭。

这⾥需要注意的是，服务端调⽤ accept 时，连接成功了会返回⼀个已完成连接的 socket，后续⽤来传输数据。

所以，监听的 socket 和真正⽤来传送数据的 socket，是「两个」 socket，⼀个叫作监听 socket，⼀个叫作已完成连接 socket。

成功连接建⽴之后，双⽅开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往⼀个⽂件流⾥⾯写东⻄⼀样。

2、针对 UDP 协议通信的 socket 编程模型

UDP 是没有连接的，所以不需要三次握⼿，也就不需要像 TCP 调⽤ listen 和 connect，但是 UDP 的交互仍然需要 IP 地址和端⼝号，因此也需要 bind。

对于 UDP 来说，不需要要维护连接，那么也就没有所谓的发送⽅和接收⽅，甚⾄都不存在客户端和服务端的概念，只要有⼀个 socket 多台机器就可以任意通信，因此每⼀个 UDP 的 socket 都需要 bind。

另外，每次通信时，调⽤ sendto 和 recvfrom，都要传⼊⽬标主机的 IP 地址和端⼝。

3、针对本地进程间通信的 socket 编程模型

本地 socket 被⽤于在同⼀台主机上进程间通信的场景：

• 本地 socket 的编程接⼝和 IPv4 、IPv6 套接字编程接⼝是⼀致的，可以⽀持「字节流」和「数据报」两种协议；
• 本地 socket 的实现效率⼤⼤⾼于 IPv4 和 IPv6 的字节流、数据报 socket 实现；

对于本地字节流 socket，其 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM。

对于本地数据报 socket，其 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。

本地字节流 socket 和 本地数据报 socket 在 bind 的时候，不像 TCP 和 UDP 要绑定 IP 地址和端⼝，⽽是绑定⼀个本地⽂件，这也就是它们之间的最⼤区别。

学自小林coding所著的《图解系统》，仅做学习用，侵删

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来源： https://blog.csdn.net/flyersboy/article/details/117574342

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