Linux 處理序間通訊

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處理序間通訊的目的

1. 資料交換
2. 狀態同步
3. 事件通知
4. 資源共用
5. 進程式控制制

一般來將進程之間的通訊根據內容可以劃分為兩種，一種是傳輸控制資訊，另一種是傳輸大量的資料。一般控制資訊只有一個或幾個位元組，用來達到進程式控制制操作的高速執行（比如利用訊號量實現進程同步）;大量資料的傳輸一般用於進程之間資訊的交換（CS架構中，用戶端和伺服器之間大量資料的互動）[4]。

發展過程

Linux中處理序間通訊（IPC）是從Unix中衍生過來的，最初的Unix具備管道、FIFO、訊號，後來經過貝爾實驗室和BSD（加州大學伯克利分校的伯克利軟體發布中心）的拓展形成了現在的進程通訊基礎。

貝爾實驗室對早期的Unix進程通訊方式進行了拓展，形成了“System V IPC”, 通訊局限於單個電腦內；BSD打破了該限制，形成了基於通訊端的處理序間通訊機制。而Linux將兩者間的特色都繼承了下來，同時它還相容POSIX IPC標準（目前POSIX標準更加通用一些）。

通訊方式

• 管道
• 訊號
• 訊息佇列
• 訊號量
• 共用記憶體
• 通訊端

管道(Pipe)

管道是Unix對作業系統的貢獻之一，它是一個環形緩衝區，允許兩個進程之間以生產者/消費者的模式進行通訊，是一個先進先出的隊列[2]。

管道是一種半雙工的通訊方式（訊息只能單向傳輸)。資料轉送方式似於串流，不提供隨機訪問，進程之間要約定一套資料協議來解析傳輸的資料[5]。資料由作業系統緩衝，直到接收方從中讀取[1]，它可以像檔案描述符一樣去通過select，poll和epoll函數去監聽。

管道在建立過程中需要雙方進行協同操作（有些API中開啟管道過程中會阻塞，直到雙方都執行了開啟操作），不能獨立於進程而存在。

管道分為匿名管道和具名管道（Named Pipe）:匿名管道只有親緣關係的進程（父進程與子進程之間，或子進程與子進程之間）可以共用;沒有親緣關係的進程之間只能通過具名管道通訊。

FIFO（first-in first-out special file, named pipe）在Linux中屬於一種具名管道。通過繫結檔案系統中指定檔案來代替標準的輸入輸出[1]，允許多個進程訪問。

Unix中對管道自動採取互斥保護措施，每次只有一個進程能訪問管道[2]。

訊號（signal）

訊號是用於向一個進程通知某種事件的發生。除了處理序間通訊外還可以發送給進程本身。因為無法利用訊號傳輸資料，所以訊號主要用於進程管理上。

Unix中核心平等的對待所有的訊號，對於同時發生的訊號，一次只給進程一個訊號，而沒有特定的順序。進程間可以互相發送訊號，核心在內部也可能發送訊號[2]。

我們經常使用的 Ctrl+C 就是發送一個退出的訊號給某一進程。

訊息（Message）隊列

訊息佇列的功能類似於信箱，它也可以在沒有親緣關係的進程之間去使用，在雙方沒有直接連接的情況下進行通訊[1]。訊息佇列是直接面對訊息的，訊息的寄件者指定發送的訊息的類型和大小，訊息的接收者指定訊息接收的方式（先進先出的規則或指定的訊息類型）。

克服了訊號承載資訊量少和管道只能承載無格式位元組流的缺點，可以實現進程之間多對一的通訊（C/S模式）。即使是接收者沒有開啟訊息佇列，寄件者仍然可以開啟隊列發送訊息而不阻塞，不需要額外的同步操作，可以避免管道中的開啟和讀寫阻塞問題。

訊息佇列中儲存的訊息數量是有上限的，同時每一條訊息的大小也是有上限的。

共用記憶體

多個進程將同一個共用的記憶體段映射到自己的進程資源中，向同一段記憶體中讀寫資料來進行資料互動，是進程之間通訊速度最快的一種方式，經常與其他通訊機制(訊號量)混合使用來達到處理序間通訊的目的[5]。

Pipe和FIFO以及訊息佇列在互動資訊的時候都需要通過核心拷貝的方式--將資料從發送方拷貝到核心緩衝，再從核心緩衝中拷貝到接收方[6]，一次通訊要COPY兩次。而共用記憶體則不需要通過核心拷貝，所以速度上要比Pipe、FIFO和訊息佇列快一些。

共用記憶體通常會在即時性要求比較高的業務情況下使用，比如金融系統中，但涉及到分布式的服務，經常需要跨主機的情況共用記憶體不太適合。

通訊端（Socket）

常用於跨主機的進程通訊，由BSD最早提供，後來被linux所吸收。它有通過網路連接埠跨主機通訊的TCP/IP socket（面向流資料）和UDP socket（面向訊息），也有UNIX domain socket這種只能在本地使用的類型。

Unix domain socket 類似於TCP/IP互連網通訊端，但所有通訊都在核心中進行,使用檔案系統作為其地址空間。進程做為inode來使用一個Unix domain socket，並且多個進程可以與同一個通訊端進行通訊（docker服務監聽本地請求就是通過Unix domain socket）[1]。

進程之間可以使用socket進行雙向通訊。

訊號量

用於不同進程之間，或者同一進程中不同線程之間同步的通訊機制。採用PV原語來實現。

參考連結

• [1] https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Inter-process_communication&oldid=833805357

• [2] 《作業系統與精髓》 6.7 Unix的並發機制

• [3] https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/index.html

• [4] 《電腦作業系統教程》 清華版 第3版 張堯學 3.7 處理序間通訊

• [5] https://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-spunix_sharedmemory/

• [6] http://www.kohala.com/start/unpv22e/unpv22e.chap12.pdf

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