深刻理解Linux處理序間通訊（IPC）

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/

 

一個大型的應用系統，往往需要眾多進程協作，進程（Linux進程概念見附1）間通訊的重要性顯而易見。本系列文章闡述了 Linux環境下的幾種主要處理序間通訊手段，並針對每個通訊手段關鍵技術環節給出詳細執行個體。為達到闡明問題的目的，本文還對某些通訊手段的內部實現機制進 行了分析。

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. 信 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）；
3. 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system V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字 節流以及緩衝區大小受限等缺點。
4. 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。
5. 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。
6. 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：

• 有一段可執行程式；
• 有專用的系統堆棧空間；
• 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；
• 具有獨立的儲存空間

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。