进程间的六种通信方式以及优缺点总结

向右看齐 2024-03-23 18:08 5阅读 0赞

> 参考博客链接：https://blog.csdn.net/qq\_34827674/article/details/107678226

前提知识：每个进程都有自己的用户空间，而内核空间是每个进程共享的。因此进程之间想要进行通信，就需要通过内核来实现。

## 1、管道 ##

管道是最简单，效率最差的一种通信方式。

管道本质上就是内核中的一个**缓存**，当进程创建一个管道后，Linux会返回两个文件描述符，一个是写入端的描述符，一个是输出端的描述符，可以通过这两个描述符往管道写入或者读取数据。

如果想要实现两个进程通过管道来通信，则需要让创建管道的进程fork子进程，这样子进程们就拥有了父进程的文件描述符，这样子进程之间也就有了对同一管道的操作。

### 匿名管道与命名管道： ###

> **匿名管道**顾名思义，它没有名字标识，匿名管道是特殊文件只存在于内存，没有存在于文件系统中，shell 命令中的 | 竖线就是匿名管道，通信的数据是**无格式的流并且大小受限**，通信的方式是单向的，数据只能在一个方向上流动，如果要双向通信，需要创建两个管道，再来匿名管道是**只能用于存在父子关系的进程间通信**，匿名管道的生命周期随着进程创建而建立，随着进程终止而消失。
> 
> **命名管道**突破了匿名管道只能在亲缘关系进程间的通信限制，因为使用命名管道的前提，需要在文件系统创建一个类型为 p 的设备文件，那么毫无关系的进程就可以通过这个设备文件进行通信。另外，
> 
> 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。

### 缺点： ###

1.  半双工通信，一条管道只能一个进程写，一个进程读。
2.  一个进程写完后，另一个进程才能读，反之同理。

## 2、消息队列： ##

管道的通信方式效率是低下的，不适合进程间频繁的交换数据。这个问题，消息队列的通信方式就可以解决。A进程往消息队列写入数据后就可以正常返回，B进程需要时再去读取就可以了，效率比较高。

而且，数据会被分为一个一个的数据单元，称为消息体，消息发送方和接收方约定好消息体的数据类型，不像管道是无格式的字节流类型，这样的好处是**可以边发送边接收**，而不需要等待完整的数据。

### 缺点： ###

1.  每个消息体有一个最大长度的限制，并且队列所包含消息体的总长度也是有上限的。
2.  消息队列通信过程中存在用户态和内核态之间的数据拷贝问题。进程往消息队列写入数据时，会发送用户态拷贝数据到内核态的过程，同理读取数据时会发生从内核态到用户态拷贝数据的过程，因此消息队列通信的速度不是最及时的

## 3、共享内存： ##

共享内存解决了消息队列存在的内核态和用户态之间数据拷贝过程带来的开销。**它直接分配一个共享空间，每个进程都可以直接访问，**就像访问进程自己的空间一样快捷方便，不需要陷入内核态或者系统调用，大大提高了通信的速度，享有**最快**的进程间通信方式之名。但是便捷高效的共享内存通信，**带来新的问题，多进程竞争同个共享资源会造成数据的错乱。**

现代操作系统对于内存管理采用的是虚拟内存技术，也就是说每个进程都有自己的虚拟内存空间，虚拟内存映射到真实的物理内存。共享内存的机制就是，不同的进程拿出一块虚拟内存空间，映射到相同的物理内存空间。这样一个进程写入的东西，另一个进程马上就能够看到，不需要进行拷贝。

![fa1b13109c384a849ec83ada891ebbfc.png][]

## 4、信号量： ##

当使用共享内存的通信方式，如果有多个进程同时往共享内存写入数据，有可能先写的进程的内容被其他进程覆盖了。

因此需要一种保护机制-----**信号量，来确保任何时刻只有一个进程访问共享资源。**信号量本质上是一个整型的计数器，表示资源个数，用于实现进程间的**互斥和同步**。

信号量代表着资源的数量，操作信号量的方式有两种：

*  **P操作**：这个操作会将信号量减一，相减后信号量如果小于0，则表示资源已经被占用了，进程需要阻塞等待；如果大于等于0，则说明还有资源可用，进程可以正常执行。
 *  **V操作**：这个操作会将信号量加一，相加后信号量如果小于等于0，则表明当前有进程阻塞，于是会将该进程唤醒；如果大于0，则表示当前没有阻塞的进程。

### 4.1信号量实现互斥： ###

#### 信号量初始化为1 ####

*  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。

### 4.2信号量实现同步： ###

由于多线程下各线程的执行顺序是无法预料的，有些时候我们希望多个线程之间能够密切合作，这时候就需要考虑线程的同步问题。

#### 信号量初始化为0 ####

*  如果进程 B 比进程 A 先执行了，那么执行到 P 操作时，由于信号量初始值为 0，故信号量会变为 -1，表示进程 A 还没生产数据，于是进程 B 就阻塞等待；
 *  接着，当进程 A 生产完数据后，执行了 V 操作，就会使得信号量变为 0，于是就会唤醒阻塞在 P 操作的进程 B；
 *  最后，进程 B 被唤醒后，意味着进程 A 已经生产了数据，于是进程 B 就可以正常读取数据了。

## 5、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。**

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。进程有三种方式响应信号 1. 执行默认操作、2. 捕捉信号、3. 忽略信号

在Linux中，为了响应各种事件，提供了几十种信号，可以通过kill -l命令查看。例如：

*  如果是运行在shell终端的进程，可以通过键盘组合键来给进程发送信号，例如使用Ctrl+C产生SIGINT信号，表示终止进程。
 *  如果是运行在后台的进程，可以通过命令来给进程发送信号，例如使用kill -9 PID产生SIGKILL信号，表示立即结束进程。

## 6、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，如果想要**跨网络和不同主机上的进程进行通信，则需要用到socket**。

Socket 实际上不仅用于不同的主机进程间通信，还可以用于本地主机进程间通信，可根据创建 Socket 的类型不同，分为三种常见的通信方式，一个是基于 TCP 协议的通信方式，一个是基于 UDP 协议的通信方式，一个是本地进程间通信方式。

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；

以上，就是进程间通信的主要机制了。那线程通信间的方式呢？

> 同个进程下的线程之间都是共享进程的资源，只要是共享变量都可以做到线程间通信，比如全局变量，所以对于线程间关注的不是通信方式，而是关注多线程竞争共享资源的问题，信号量也同样可以在线程间实现互斥与同步：
> 
>  *  互斥的方式，可保证任意时刻只有一个线程访问共享资源；
>  *  同步的方式，可保证线程 A 应在线程 B 之前执行；

[fa1b13109c384a849ec83ada891ebbfc.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/4b035c316d3c442ba3e1b1e54e273bd9.png