linux系统的进程间通信有哪几种方式

一、方式

1、管道（Pipe）及有名管道（ mkpipe）：

管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；

2、信号（Signal）：

信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身。

linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction。

实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数。

3、消息队列（Message）：

消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，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、共享内存：

使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

5、信号量（semaphore）：

主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。

6、套接口（Socket）：

更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

二、概念

进程间通信概念：

IPC—-InterProcess Communication

每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到所以进程之间要交换数据必须通过内核。

在内核中开辟一块缓冲区,进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信。

扩展资料

1）无名管道:

管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。

管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，构成两进程间通信的一个媒介。

数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

2）有名管道：

不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间）。

因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位 *** 作。

进程读写文件之前需要 打开文件 ,得到 文件描述符 ,然后 通过文件描述符读写文件 .

内核提供了两个打开文件的系统调用 open 和 openat .

打开文件的主要步骤如下:

(1)需要 在父目录的数据中查找文件对应的目录项 , 从目录项得到索引节点的编号,然后在内存中创建索引节点的副本 .因为各种文件系统类型的物理结构不同,所以需要提供索引节点 *** 作集合的 lookup 方法和文件 *** 作集合的 open 方法.

(2)需要分配文件的一个打开实例-- file 结构体,关联到文件的索引节点.

(3)在进程的打开文件表中 分配一个文件描述符 , 把文件描述符和打开实例的映射添加到进程的打开文件表 中.

进程可通过使用系统调用 close 关闭文件.

系统调用close的执行流程如下:

(1)解除打开文件表和file实例的关联.

(2)在close_on_exec位图中清楚文件描述符对应的位.

(3)释放文件描述符,在文件描述符位图中清除文件描述符对应的位.

(4)调用函数fput释放file实例:把引用计数减1,如果引用计数是0,那么把file实例添加到链表delayed_fput_list中,然后调用延迟工作项delayed_fput_work.

延迟工作项delayed_fput_work的处理函数是flush_delayed_fput,遍历链表delayed_fput_list,针对每个file实例,调用函数__fput来加以释放.

创建不同类型的文件,需要使用不同的命令.

(1) 普通文件 :touch FILE ,这条命令本来用来更新文件的访问时间和修改时间,如果文件不存在,创建文件.

(2) 目录 :mkdir DIRECTORY .

(3) 符号链接(软链接) :ln -s TARGET LINK_NAME 或ln --symbolic TARGET LINK_NAME .

(4) 字符或块设备文件 :mknod NAME TYPE [MAJOR MINOR] .

(5) 命名管道 :mkpipe NAME .

(6) 硬连接 :命令"ln TARGET　LINK_NAME ".给已经存在的文件增加新的名称,文件的索引节点有一个硬链接计数,如果文件有n个名称,那么硬链接计数是n.

创建文件需要在文件系统中 分配一个索引节点 ,然后 在父目录的数据中增加一个目录项来保存文件的名称和索引节点编号 .

删除文件的命令如下:

(1)删除任何类型文件:unlink FILE .

(2)rm FILE ,默认不删除目录,如果使用"-r""-R"或"-recursive",可以删除目录和目录的内容.

(3)删除目录:rmdir DICTIONARY .

内核提供了unlink,unlinkat用来删除文件的名称,如果文件的硬链接计数变成0,并且没有进程打开这个文件,那么删除文件.提供了rmdir删除目录.

删除文件需要从父目录的数据中删除文件对应的目录项, 把文件的索引节点的硬链接计数减1(一个文件可以有多个名称,Linux把文件名称称为硬链接),如果索引节点的硬链接计数变成0,那么释放索引节点 .因为各种文件系统的物理结构不同,所以需要提供索引节点 *** 作集合的 unlink 方法.

设置文件权限的命令如下:

(1)chmod [OPTION]... MODE[, MODE]... FILE...

mode : 权限设定字串，格式[ugoa...][[+-=][rwxX]...][,...]

其中：

(2)chmod [OPTION]... OCTAL-MODE FILE...

参数OCTAL-MODE是八进制数值.

系统调用chmod负责修改文件权限.

修改文件权限需要修改文件的索引节点的文件模式字段,文件模式字段包含文件类型和访问权限.因为各种文件系统类型的索引节点不同,所以需要提供索引节点 *** 作集合的 setattr 方法.

访问外部存储设备的速度很慢,为了避免每次读写文件时访问外部存储设备, 文件系统模块为每个文件在内存中创建一个缓存 ,因为 缓存的单位是页 ,所以称为 页缓存 .

(1) 索引节点的成员i_mapping 指向地址空间结构体(address_space).进程在打开文件的时候, 文件打开实例(file结构体)的成员f_mapping 也会指向文件的地址空间.

(2)每个文件有一个地址空间结构体 address_space ,成员 page_tree 的类型是结构体radix_tree_root:成员 gfp_mask是分配内存页的掩码,成员rnode指向基数树的根节点 .

(3)使用基数树管理页缓存,把文件的页索引映射到内存页的页描述符.

每个文件都有一个地址空间结构体address_space,用来建立数据缓存(在内存中为某种数据创建的缓存)和数据来源(即存储设备)之间的关联.结构体address_space如下:

地址空间 *** 作结合address_space_operations的主要成员如下:

页缓存的常用 *** 作函数如下:

(1)函数find_get_page根据文件的页索引在页缓存中查找内存页.

(2)函数find_or_create_page根据文件的页索引在页缓存中查找内存页,如果没有找到内存页,那么分配一个内存页,然后添加到页缓存中.

(3)函数add_to_page_cache_lru把一个内存页添加到页缓存和LRU链表中.

(4)函数delete_from_page_cache从页缓存中删除一个内存页.

进程读文件的方式有3种:

(1)调用内核提供的 读文件的系统调用 .

(2)调用glibc库封装的读文件的 标准I/O流函数 .

(3)创建基于文件的内存映射,把 文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间,然后直接读内存 .

第2种方式在用户空间创建了缓冲区,能减少系统调用的次数,提高性能.第3种方式可以避免系统调用,性能最高.

读文件的主要步骤如下:

(1)调用具体文件系统类型提供的文件 *** 作集合的read和read_iter方法来读文件.

(2) read或read_iter方法根据页索引在文件的页缓存中查找页,如果没有找到,那么调用具体文件系统类型提供的地址空间集合的readpage方法来从存储设备读取文件页到内存中 .

为了提高读文件的速度,从存储设备读取文件页到内存中的时候,除了读取请求的文件页,还会预读后面的文件页.如果进程按顺序读文件,预读文件页可以提高读文件的速度如果进程随机读文件,预读文件页对提高读文件的速度帮助不大.

进程写文件的方式有3种:

(1)调用内核提供的 写文件的系统调用 .

(2)调用glibc库封装的写文件的 标准I/O流函数 .

(3)创建基于文件的内存映射,把 文件的一个区间映射到进程的虚拟空间,然后直接写内存 .

第2种方式在用户空间创建了缓冲区,能够减少系统调用的次数,提高性能.第3种方式可以避免系统调用,性能最高.

写文件的主要步骤如下:

(1)调用具体文件系统类型提供的文件 *** 作集合的write或write_iter方法来写文件.

(2)write或write_iter方法调用文件的地址空间 *** 作集合的 write_begin 方法, 在页缓存查找页,如果页不存在就分配页然后把数据从用户缓冲区复制到页缓存的页中 最后调用文件的地址空间 *** 作集合的 write_end 方法.

进程写文件时,内核的文件系统模块把数据写到文件的页缓存,没有立即写回到存储设备.文件系统模块会定期把脏页写回到存储设备,进程也可以调用系统调用把脏页强制写回到存储设备.

管理员可以执行命令"sync",把内存中所有修改过的文件元数据和文件数据写回到存储设备.

内核提供了 sync , syncfs , fsync , fdatasync , sync_file_range 等系统调用用于文件写回.

把文件写回到存储设备的时机如下:

(1)周期回写.

(2)当脏页的数量达到限制的时候,强制回写.

(3)进程调用sync和syncfs等系统调用.

对于类似内存的块设备,例如NVDIMM设备,不需要把文件从存储设备复制到页缓存.DAX绕过页缓存,直接访问存储设备,对于基于文件的内存映射,直接把存储设备映射到进程的虚拟地址空间.

调用系统调用mmap创建基于文件的内存映射,把文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间,这会调用具体文件系统类型提供的文件 *** 作集合的mmap方法.mmap方法针对设置了标志位S_DAX的索引节点,处理方法如下:

(1)给虚拟内存区域设置标志位VM_MIXEDMAP和VM_HUGEPAGE.

(2)设置虚拟内存 *** 作集合,提供fault,huge_fault,page_mkwrite和pfn_mkwrite方法.

进程间通信主要包括管道, 系统IPC（包括消息队列,信号,共享存储), 套接字(SOCKET).

管道包括三种:

1)普通管道PIPE, 通常有两种限制,一是单工,只能单向传输二是只能在父子或者兄弟进程间使用.

2)流管道s_pipe: 去除了第一种限制,为半双工，可以双向传输.

3)命名管道:name_pipe, 去除了第二种限制,可以在许多并不相关的进程之间进行通讯. 系统IPC的三种方式类同,都是使用了内核里的标识符来识别.

FAQ1: 管道与文件描述符,文件指针的关系?

答: 其实管道的使用方法与文件类似,都能使用read,write,open等普通IO函数. 管道描述符来类似于文件描述符. 事实上, 管道使用的描述符,文件指针和文件描述符最终都会转化成系统中SOCKET描述符. 都受到系统内核中SOCKET描述符的限制. 本质上LINUX内核源码中管道是通过空文件来实现.

FAQ2: 管道的使用方法?

答: 主要有下面几种方法: 1)pipe, 创建一个管道,返回2个管道描述符.通常用于父子进程之间通讯. 2)popen, pclose: 这种方式只返回一个管道描述符,常用于通信另一方是stdin or stdout3)mkpipe:命名管道, 在许多进程之间进行交互.

FAQ3: 管道与系统IPC之间的优劣比较?

答: 管道: 优点是所有的UNIX实现都支持, 并且在最后一个访问管道的进程终止后,管道就被完全删除缺陷是管道只允许单向传输或者用于父子进程之间.

系统IPC: 优点是功能强大,能在毫不相关进程之间进行通讯缺陷是关键字KEY_T使用了内核标识,占用了内核资源,而且只能被显式删除,而且不能使用SOCKET的一些机制,例如select,epoll等.

FAQ4: WINDOS进程间通信与LINUX进程间通信的关系?

答: 事实上,WINDOS的进程通信大部分移植于UNIX, WINDOS的剪贴板,文件映射等都可从UNIX进程通信的共享存储中找到影子.

FAQ5: 进程间通信与线程间通信之间的关系?

答: 因为WINDOWS运行的实体是线程, 狭义上的进程间通信其实是指分属于不同进程的线程之间的通讯.而单个进程之间的线程同步问题可归并为一种特殊的进程通信.它要用到内核支持的系统调用来保持线程之间同步. 通常用到的一些线程同步方法包括:Event, Mutex,信号量Semaphore,临界区资源等.

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