深刻理解Linux處理序間通訊(IPC)

來源:互聯網
上載者:User

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。

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。

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