進程間通信的目的
數據傳輸:一個進程需要將它的數據發送給另一個進程,發送的數據量在一個字節到幾兆字節之間。
共享數據:多個進程想要操作共享數據,一個進程對共享數據的修改,別的進程應該立刻看到。
通知事件:一個進程需要向另一個或一組進程發送消息,通知它(它們)發生了某種事件(如進程終止時要通知父進程)。
資源共享:多個進程之間共享同樣的資源。為了作到這一點,需要內核提供鎖和同步機制。
進程控制:有些進程希望完全控制另一個進程的執行(如Debug進程),此時控制進程希望能夠攔截另一個進程的所有陷入和異常,並能夠及時知道它的狀態改變。
進程通信方式
linux下進程間通信的幾種主要方式:
(1)管道(pipe)和有名管道(FIFO)
(2)信號(signal)
(3)消息隊列
(4)共享內存(shared memory)
(5)信號量(semaphore)
(6)套接字(socket)
管道
管道(pipe)及有名管道(named pipe):管道可用於具有親緣關系進程間的通信,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,它還允許無親緣關系進程間的通信。
管道是單向的、先進先出的、無結構的、固定大小的字節流,它把一個進程的標准輸出和另一個進程的標准輸入連接在一起。寫進程在管道的尾端寫入數據,讀進程在管道的首端讀出數據。數據讀出後將從管道中移走,其它讀進程都不能再讀到這些數據。管道提供了簡單的流控制機制。進程試圖讀空管道時,在有數據寫入管道前,進程將一直阻塞。同樣,管道已經滿時,進程再試圖寫管道,在其它進程從管道中移走數據之前,寫進程將一直阻塞。通常有種限制,一是半雙工,只能單向傳輸;二是只能在父子進程間使用。
有名管道(也叫FIFO,因為管道工作在先入先出的原則下,第一個寫入管道的數據也是第一個被讀出的數據)。與管道不同,FIFO不是臨時的對象,它們是文件系統中真正的實體,可以用mkfifo命令創建。只要有合適的訪問權限,進程就可以使用FIFO。FIFO的打開方式和管道稍微不同。一個管道(它的兩個file數據結構、VFS I節點和共享數據頁)是一次性創建的,而FIFO已經存在,可以由它的用戶打開和關閉。Linux必須處理在寫進程打開FIFO之前讀進程對它的打開,也必須處理在寫進程寫數據之前讀進程對管道的讀。除此以外,FIFO幾乎和管道的處理完全一樣,而且它們使用一樣的數據結構和操作。
信號
信號(signal):信號是比較復雜的通信方式,用於通知接受進程有某種事件發生,除了用於進程間通信外,進程還可以發送信號給進程本身;linux除了支持Unix早期信號語義函數sigal外,還支持語義符合Posix.1標准的信號函數sigaction(實際上,該函數是基於BSD的,BSD為了實現可靠信號機制,又能夠統一對外接口,用sigaction函數重新實現了signal函數)。
信號是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬,是一種異步通信方式。
信號可以直接進行用戶空間進程和內核進程之間的交互,內核進程也可以利用它來通知用戶空間進程發生了哪些系統事件。它可以在任何時候發給某一進程,而無需知道該進程的狀態。
如果該進程當前並未處於執行態,則該信號就由內核保存起來,直到該進程恢復執行再傳遞給它;如果一個信號被進程設置為阻塞,則該信號的傳遞被延遲,直到其阻塞被取消時才被傳遞給進程 。
進程執行信號的方式:
忽略信號,即對信號不做任何處理,其中,有兩個信號不能忽略:SIGKILL及SIGSTOP。
捕捉信號,定義信號處理函數,當信號發生時,執行相應的處理函數。
執行缺省操作,Linux對每種信號都規定了默認操作。
消息隊列
消息隊列:消息隊列是消息的鏈接表,包括Posix消息隊列System V消息隊列。有足夠權限的進程可以向隊列中添加消息,被賦予讀權限的進程則可以讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信號承載信息量少,管道只能承載無格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點。
消息隊列的實現包括創建或打開消息隊列、添加消息、讀取消息和控制消息隊列這四種操作:
創建或打開消息隊列使用的函數是msgget,這裡創建的消息隊列的數量會受到系統消息隊列數量的限制。
添加消息使用的函數是msgsnd函數,它把消息添加到已打開的消息隊列末尾。
讀取消息使用的函數是msgrcv,它把消息從消息隊列中取走,與FIFO不同的是,這裡可以指定取走某一條消息。
控制消息隊列使用的函數是msgctl,它可以完成多項功能。
信號量/信號燈
信號量(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。信號量是用來解決進程之間的同步與互斥問題的一種進程之間通信機制,包括一個稱為信號量的變量和在該信號量下等待資源的進程等待隊列,以及對信號量進行的兩個原子操作(PV操作)。其中信號量對應於某一種資源,取一個非負的整型值。信號量值指的是當前可用的該資源的數量,若它等於0則意味著目前沒有可用的資源。
P操作:如果有可用的資源(信號量值>0),則占用一個資源(給信號量值減去一,進入臨界區代碼)。如果沒有可用的資源(信號量值等於0),則被阻塞到,直到系統將資源分配給該進程(進入等待隊列,一直等到資源輪到該進程)。
V操作:如果在該信號量的等待隊列中有進程在等待資源,則喚醒一個阻塞進程。如果沒有進程等待它,則釋放一個資源(給信號量值加一)。