在Linux中實現內部進程通訊

Linux給我們提供了豐富的內部進程通訊機制，包括共用記憶體、記憶體對應檔、先入先出（FIFO）、介面（sockets）以及多種用於同步的標識。在本文中，我們主要討論一下共用記憶體和記憶體對應檔技術。

一般來說，內部進程通訊（interprocess communication）也就是IPC，是指兩個或兩個以上進程以及兩個或者兩個以上線程之間進行通訊聯絡。每個IPC機制都有不同的強項或者弱點，不過沒有一個IPC機制包含內建的同步方法。因此程式員不但需要自己在程式中實現同步，而且還需要為了利用IPC機制而自己開發通訊協定。

共用記憶體

使用共用記憶體和使用malloc來分配記憶體地區很相似。使用共用記憶體的方法是：

1.        對一個進程/線程使用shmget分配記憶體地區。

2.        使用shmat放置一個或多個進程/線程在共用記憶體中，你也可以用shmctl來擷取資訊或者控制共用地區。

3.        使用shmdt從共用地區中分離。

4.        使用shmctl解除配置空間

下面是個例子:

//建立共用記憶體地區
intshared_id;
char *region;
const intshm_size = 1024;

shared_id = shmget(IPC_PRIVATE,//保證使用唯一ID
                   shm_size,
                   IPC_CREAT | IPC_EXCL |//建立一個新的記憶體地區  
                   S_IRUSR | S_IWUSR);//使目前使用者可以讀寫這個地區

//交叉進程或產生進程.

                   
//將建立的記憶體地區放入進程/線程
region = (char*) shmat(segment_id, 0, 0);

//其他程式碼
...

//將各個進程/線程分離出來
shmdt(region);

//破壞掉共用記憶體地區
shmctl(shared_id, IPC_RMID, 0);

共用記憶體是Linux中最快速的IPC方法。他也是一個雙向過程，共用地區內的任何進程都可以讀寫記憶體。這個機制的不利方面是其同步和協議都不受程式員控制，你必須確保將控制代碼傳遞給了子進程和線程。

記憶體對應檔

記憶體對應檔不僅僅用於IPC，在其他進程中它也有很大作用。如果你需要將一個分配的緩衝區初始化為零，只要記住/dev/zero 。你也可以通過將檔案對應到記憶體中以提高其效能。它使你可以像讀寫字串一樣讀寫檔案。下面是個例子：

const char filename[] = "testfile";
intfd;
char *mapped_mem;
const intflength = 1024;
fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
lseek(fd, flength + 1, SEEK_SET);
write(fd, "\0", 1);
lseek(fd, 0, SEEK_SET);

mapped_mem = mmap(0,
                  flength,
                  PROT_WRITE, //允許寫入
                  MAP_SHARED,//寫入內容被立即寫入到檔案
                  fd,
                  0);

close(fd);

//使用映射地區.
...

munmap(file_memory, flength);

利用記憶體映射來處理IPC的好處是在整個過程中你不需要處理控制代碼：只要開啟檔案並把它映射在合適的位置就行了。你可以在兩個不相關的進程間使用記憶體對應檔。

使用記憶體映射的缺點是速度不如共用記憶體快。如果湊巧檔案很大，所需要的虛擬記憶體就會很大，這樣會造成整體效能下降。

文本作者Mike Owens是一名Allscripts Healthcare解決方案的軟體工程師,他從事軟體行業已逾八年。
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 Linux下的進程通訊手段基本上是從Unix平台上的進程通訊手段繼承而來的。

序

    Linux下的進程通訊手段基本上是從Unix平台上的進程通訊手段繼承而來的。而對Unix發展做出重大貢獻的兩大主力AT&T的貝爾實驗室及BSD（加州大學伯克利分校的伯克利軟體發布中心）在處理序間通訊方面的側重點有所不同。前者對Unix早期的處理序間通訊手段進行了系統的改進和擴充，形成了“system V IPC”，通訊進程局限在單個電腦內；後者則跳過了該限制，形成了基於套介面（socket）的處理序間通訊機制。Linux則把兩者繼承了下來，示：

 

    其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、訊號；System V IPC包括：System V訊息佇列、System V號誌、System V共用記憶體區；Posix IPC包括：

    Posix訊息佇列、Posix號誌、Posix共用記憶體區。有兩點需要簡單說明一下：1）由於Unix版本的多樣性，電子電氣工程協會（IEEE）開發了一個獨立的Unix標準，這個新的ANSI Unix標準被稱為電腦環境的可移植性作業系統介面（PSOIX）。現有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標準的，而Linux從一開始就遵循POSIX標準；2）BSD並不是沒有涉足單機內的處理序間通訊（socket本身就可以用於單機內的處理序間通訊）。事實上，很多Unix版本的單機IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支援的匿名記憶體映射、4.3+BSD對可靠訊號語義的實現等等。

    圖一給出了Linux所支援的各種IPC手段，在本文接下來的討論中，為了避免概念上的混淆，在儘可能少提及Unix的各個版本的情況下，所有問題的討論最終都會歸結到Linux環境下的處理序間通訊上來。並且，對於Linux所支援通訊手段的不同實現版本（如對於共用記憶體來說，有Posix共用記憶體區以及System V共用記憶體區兩個實現版本），將主要介紹Posix API。

    Linux下處理序間通訊的幾種主要手段簡介：

    1.管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用於具有親緣關係進程間的通訊，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，它還允許無親緣關係進程間的通訊；

    2.訊號（Signal）：訊號是比較複雜的通訊方式，用於通知接受進程有某種事件發生，除了用於處理序間通訊外，進程還可以發送訊號給進程本身；Linux除了支援Unix早期訊號語義函數sigal外，還支援語義符合Posix.1標準的訊號函數sigaction（實際上，該函數是基於BSD的，BSD為了實現可靠訊號機制，又能夠統一對外介面，用sigaction函數重新實現了signal函數）；

    報文（Message）隊列（訊息佇列）：訊息佇列是訊息的連結資料表，包括Posix訊息佇列systemV訊息佇列。有足夠許可權的進程可以向隊列中添加訊息，被賦予讀許可權的進程則可以讀走隊列中的訊息。訊息佇列克服了訊號承載資訊量少，管道只能承載無格式位元組流以及緩衝區大小受限等缺點。

    共用記憶體：使得多個進程可以訪問同一塊記憶體空間，是最快的可用IPC形式。是針對其他通訊機制運行效率較低而設計的。往往與其它通訊機制，如訊號量結合使用，來達到進程間的同步及互斥。

    訊號量（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。

    套介面（Socket）：更為一般的處理序間通訊機制，可用於不同機器之間的處理序間通訊。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的變種都支援通訊端。

    下面將對上述通訊機製做具體闡述。

    附1：參考文獻[2]中對Linux環境下的進程進行了概括說明：

    一般來說，Linux下的進程包含以下幾個關鍵要素：

    1.有一段可執行程式；
    2.有專用的系統堆棧空間；
    3.核心中有它的控制塊（進程式控制制塊），描述進程所佔用的資源，這樣，進程才能接受核心的調度；
    4.具有獨立的儲存空間
    5.進程和線程有時候並不完全區分，而往往根據上下文理解其含義。
    參考文獻：

    1.UNIX環境進階編程，作者：W.Richard Stevens，譯者：尤晉元等，機械工業出版社。具有豐富的編程執行個體，以及關鍵函數伴隨Unix的發展曆程。 Linux核心原始碼情景分析（上、下），毛德操、胡希明著，浙江大學出版社，提供了對Linux核心非常好的分析，同時，對一些關鍵概念的背景進行了詳細的說明。

    2.UNIX網路編程第二卷：處理序間通訊，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學出版社。一本比較全面闡述Unix環境下處理序間通訊的書（沒有訊號和套介面，套介面在第一卷中）。