Linux進(jìn)程通信（IPC）方式簡介

進(jìn)程間通信的目的

數(shù)據(jù)傳輸：一個進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個進(jìn)程，發(fā)送的數(shù)據(jù)量在一個字節(jié)到幾兆字節(jié)之間。
共享數(shù)據(jù)：多個進(jìn)程想要操作共享數(shù)據(jù)，一個進(jìn)程對共享數(shù)據(jù)的修改，別的進(jìn)程應(yīng)該立刻看到。
通知事件：一個進(jìn)程需要向另一個或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它（它們）發(fā)生了某種事件（如進(jìn)程終止時要通知父進(jìn)程）。
資源共享：多個進(jìn)程之間共享同樣的資源。為了作到這一點(diǎn)，需要內(nèi)核提供鎖和同步機(jī)制。
進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個進(jìn)程的執(zhí)行（如Debug進(jìn)程），此時控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個進(jìn)程的所有陷入和異常，并能夠及時知道它的狀態(tài)改變。

進(jìn)程通信方式

linux下進(jìn)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(nèi)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）：管道可用于具有親緣關(guān)系進(jìn)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(guān)系進(jìn)程間的通信。
管道是單向的、先進(jìn)先出的、無結(jié)構(gòu)的、固定大小的字節(jié)流，它把一個進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出和另一個進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入連接在一起。寫進(jìn)程在管道的尾端寫入數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程在管道的首端讀出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀出后將從管道中移走，其它讀進(jìn)程都不能再讀到這些數(shù)據(jù)。管道提供了簡單的流控制機(jī)制。進(jìn)程試圖讀空管道時，在有數(shù)據(jù)寫入管道前，進(jìn)程將一直阻塞。同樣，管道已經(jīng)滿時，進(jìn)程再試圖寫管道，在其它進(jìn)程從管道中移走數(shù)據(jù)之前，寫進(jìn)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(jìn)程間使用。
有名管道（也叫FIFO，因?yàn)楣艿拦ぷ髟谙热胂瘸龅脑瓌t下，第一個寫入管道的數(shù)據(jù)也是第一個被讀出的數(shù)據(jù)）。與管道不同，F(xiàn)IFO不是臨時的對象，它們是文件系統(tǒng)中真正的實(shí)體，可以用mkfifo命令創(chuàng)建。只要有合適的訪問權(quán)限，進(jìn)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、VFS I節(jié)點(diǎn)和共享數(shù)據(jù)頁）是一次性創(chuàng)建的，而FIFO已經(jīng)存在，可以由它的用戶打開和關(guān)閉。Linux必須處理在寫進(jìn)程打開FIFO之前讀進(jìn)程對它的打開，也必須處理在寫進(jìn)程寫數(shù)據(jù)之前讀進(jìn)程對管道的讀。除此以外，F(xiàn)IFO幾乎和管道的處理完全一樣，而且它們使用一樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作。

信號

信號（signal）：信號是比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接受進(jìn)程有某種事件發(fā)生，除了用于進(jìn)程間通信外，進(jìn)程還可以發(fā)送信號給進(jìn)程本身；linux除了支持Unix早期信號語義函數(shù)sigal外，還支持語義符合Posix.1標(biāo)準(zhǔn)的信號函數(shù)sigaction（實(shí)際上，該函數(shù)是基于BSD的，BSD為了實(shí)現(xiàn)可靠信號機(jī)制，又能夠統(tǒng)一對外接口，用sigaction函數(shù)重新實(shí)現(xiàn)了signal函數(shù)）。
信號是在軟件層次上對中斷機(jī)制的一種模擬，是一種異步通信方式。
信號可以直接進(jìn)行用戶空間進(jìn)程和內(nèi)核進(jìn)程之間的交互，內(nèi)核進(jìn)程也可以利用它來通知用戶空間進(jìn)程發(fā)生了哪些系統(tǒng)事件。它可以在任何時候發(fā)給某一進(jìn)程，而無需知道該進(jìn)程的狀態(tài)。
如果該進(jìn)程當(dāng)前并未處于執(zhí)行態(tài)，則該信號就由內(nèi)核保存起來，直到該進(jìn)程恢復(fù)執(zhí)行再傳遞給它；如果一個信號被進(jìn)程設(shè)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(jìn)程 。

進(jìn)程執(zhí)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(shù)，當(dāng)信號發(fā)生時，執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。
執(zhí)行缺省操作，Linux對每種信號都規(guī)定了默認(rèn)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(quán)限的進(jìn)程可以向隊列中添加消息，被賦予讀權(quán)限的進(jìn)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(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。
消息隊列的實(shí)現(xiàn)包括創(chuàng)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(chuàng)建或打開消息隊列使用的函數(shù)是msgget，這里創(chuàng)建的消息隊列的數(shù)量會受到系統(tǒng)消息隊列數(shù)量的限制。
添加消息使用的函數(shù)是msgsnd函數(shù)，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(shù)是msgrcv，它把消息從消息隊列中取走，與FIFO不同的是，這里可以指定取走某一條消息。
控制消息隊列使用的函數(shù)是msgctl，它可以完成多項(xiàng)功能。

信號量/信號燈

信號量（semaphore）：主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程不同線程之間的同步手段。信號量是用來解決進(jìn)程之間的同步與互斥問題的一種進(jìn)程之間通信機(jī)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(jìn)程等待隊列，以及對信號量進(jìn)行的兩個原子操作（PV操作）。其中信號量對應(yīng)于某一種資源，取一個非負(fù)的整型值。信號量值指的是當(dāng)前可用的該資源的數(shù)量，若它等于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(jìn)入臨界區(qū)代碼）。如果沒有可用的資源（信號量值等于0），則被阻塞到，直到系統(tǒng)將資源分配給該進(jìn)程（進(jìn)入等待隊列，一直等到資源輪到該進(jìn)程）。
V操作：如果在該信號量的等待隊列中有進(jìn)程在等待資源，則喚醒一個阻塞進(jìn)程。如果沒有進(jìn)程等待它，則釋放一個資源（給信號量值加一）。

共享內(nèi)存

共享內(nèi)存（shared memory）可以說是最有用的進(jìn)程間通信方式，也是最快的IPC形式。兩個不同進(jìn)程A、B共享內(nèi)存的意思是，同一塊物理內(nèi)存被映射到進(jìn)程A、B各自的進(jìn)程地址空間。進(jìn)程A可以即時看到進(jìn)程B對共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新，反之亦然。由于多個進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，必然需要某種同步機(jī)制，互斥鎖和信號量都可以。

采用共享內(nèi)存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。對于像管道和消息隊列等通信方式，則需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次的數(shù)據(jù)拷貝，而共享內(nèi)存則只拷貝兩次數(shù)據(jù)：一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)，另一次從共享內(nèi)存區(qū)到輸出文件。實(shí)際上，進(jìn)程之間在共享內(nèi)存時，并不總是讀寫少量數(shù)據(jù)后就解除映射，有新的通信時，再重新建立共享內(nèi)存區(qū)域。而是保持共享區(qū)域，直到通信完畢為止，這樣，數(shù)據(jù)內(nèi)容一直保存在共享內(nèi)存中，并沒有寫回文件。共享內(nèi)存中的內(nèi)容往往是在解除映射時才寫回文件的。因此，采用共享內(nèi)存的通信方式效率是非常高的。

共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的步驟：
1.創(chuàng)建共享內(nèi)存，這里用到的函數(shù)是shmget，也就是從內(nèi)存中獲得一段共享內(nèi)存區(qū)域。
2.映射共享內(nèi)存，也就是把這段創(chuàng)建的共享內(nèi)存映射到具體的進(jìn)程空間中去，這里使用的函數(shù)是shmat。
3.使用不帶緩沖的I/O讀寫命令對其進(jìn)行操作。
4.撤銷映射的操作，其函數(shù)為shmdt。

套接口

套接口（socket）：更為一般的進(jìn)程間通信機(jī)制，可用于不同機(jī)器之間的進(jìn)程間通信。起初是由Unix系統(tǒng)的BSD分支開發(fā)出來的，但現(xiàn)在一般可以移植到其它類Unix系統(tǒng)上：Linux和System V的變種都支持套接字。