2020-05-16 操作系统中进程间的通讯机制(IPC)

进程间常见的通信方式:

(1)管道pipe:管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

(2)命名管道FIFO:有名管道也是半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

(3)消息队列MessageQueue:消息队列是由消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

(4)共享存储SharedMemory:共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式,它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号量,配合使用,来实现进程间的同步和通信。

(5)信号量Semaphore:信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制,防止某进程正在访问共享资源时,其他进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

(6)套接字Socket:套解口也是一种进程间通信机制,与其他通信机制不同的是,它可用于不同及其间的进程通信。

(7)信号 ( sinal ) : 信号是一种比较复杂的通信方式,用于通知接收进程某个事件已经发生。

1、管道

管道允许在进程之间按先进先出的方式传送数据,是进程间通信的一种常见方式。

管道,通常指无名管道,是UNIX系统IPC最古老的形式。它具有如下特点:

(1)它是半双工的(即数据只能在一个方向上流动),具有固定的读端和写端。

(2)它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信(也是父子进程或者兄弟进程之间)。

(3)它可以看成是一种特殊的文件,对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件,并不属于其他任何文件系统,并且只存在于内存中。

当一个管道建立时,它会创建两个文件描述符:fd[0]为读而打开,fd[1]为写而打开。如下图:

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

注:单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以,通常调用 pipe 的进程接着调用 fork,这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示:

若要数据流从父进程流向子进程,则关闭父进程的读端(fd[0])与子进程的写端(fd[1]);反之,则可以使数据流从子进程流向父进程。

另外一种管道是命令管道(FIFO),除了建立、打开、删除的方式不同外,这两种管道几乎是一样的。命名管道的特点如下:

(1)它是半双工的(即数据只能在一个方向上流动),具有固定的读端和写端。

(2)FIFO可以在无关的进程之间交换数据,与无名管道不同。

FIFO有路径名与之相关联,它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

2、消息队列

消息队列,是消息的链接表,存放在内核中。一个消息队列由一个标识符(即队列ID)来标识,用户进程可以向消息队列添加消息,也可以向消息队列读取消息。它的特点如下:

(1)消息队列是面向记录的,其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。

(2)消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时,消息队列及其内容并不会被删除。

(3)消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

消息队列与管道通信相比,其优势是对每个消息指定特定的消息类型,接收的时候不需要按照队列次序,而是可以根据自定义条件接收特定类型的消息。

可以把消息看做一个记录,具有特定的格式以及特定的优先级。对消息队列有写权限的进程可以向消息队列中按照一定的规则添加新消息,对消息队列有读权限的进程可以从消息队列中读取消息。

消息队列的常用函数如下表:

进程间通过消息队列通信,主要是:创建或打开消息队列,添加消息,读取消息和控制消息队列。

例如:用函数msget创建消息队列,调用msgsnd函数,把输入的字符串添加到消息队列中,然后调用msgrcv函数,读取消息队列中的消息并打印输出,最后再调用msgctl函数,删除系统内核中的消息队列。

3、共享内存

共享内存(Shared Memory),指两个或多个进程共享一个给定的存储区。它具有如下特点:

(1)共享内存是最快的一种 IPC,因为进程是直接对内存进行存取。

(2)因为多个进程可以同时操作,所以需要进行同步。

(3)信号量+共享内存通常结合在一起使用,信号量用来同步对共享内存的访问。

共享内存允许两个或多个进程共享一个给定的存储区,这一段存储区可以被两个或两个以上的进程映射至自身的地址空间中,一个进程写入共享内存的信息,可以被其他使用这个共享内存的进程,通过一个简单的内存读取读出,从而实现了进程间的通信。

采用共享内存进行通信的一个主要好处是效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝,对于像管道和消息队里等通信方式,则需要再内核和用户空间进行四次的数据拷贝,而共享内存则只拷贝两次:一次从输入文件到共享内存区,另一次从共享内存到输出文件。

一般而言,进程之间在共享内存时,并不总是读写少量数据后就解除映射,有新的通信时在重新建立共享内存区域;而是保持共享区域,直到通信完毕为止,这样,数据内容一直保存在共享内存中,并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件,因此,采用共享内存的通信方式效率非常高。

注:共享内存有两种实现方式:1、内存映射 2、共享内存机制

4、信号量

信号量(semaphore)与已经介绍过的 IPC 结构不同,它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步,而不是用于存储进程间通信数据。它具有如下特点:

(1)信号量用于进程间同步,若要在进程间传递数据需要结合共享内存。

(2)信号量基于操作系统的 PV 操作,程序对信号量的操作都是原子操作。

(3)每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1,而且可以加减任意正整数。

(4)支持信号量组。

5、总结

七种进程间通信方式的总结:

(1)管道:速度慢,容量有限,只有父子进程能通讯。

(2)FIFO:任何进程间都能通讯,但速度慢。

(3)消息队列:容量受到系统限制,且要注意第一次读的时候,要考虑上一次没有读完数据的问题。

(4)信号量:不能传递复杂消息,只能用来同步。

(5)共享内存区:能够很容易控制容量,速度快,但要保持同步,比如一个进程在写的时候,另一个进程要注意读写的问题,相当于线程中的线程安全,当然,共享内存区同样可以用作线程间通讯,不过没这个必要,线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存。

(6)套接字和信号支持不同主机上的两个进程IPC

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