linux中的进程通信问题

在Linux中实现内部进程通信
Linux给我们提供了丰富的内部进程通信机制，包括共享内存、内存映射文件、先入先出（FIFO）、接口（sockets）以及多种用于同步的标识。在本文中，我们主要讨论一下共享内存和内存映射文件技术。

一般来说，内部进程通信（interprocess communication）也就是IPC，是指两个或两个以上进程以及两个或者两个以上线程之间进行通信联系。每个IPC机制都有不同的强项或者弱点，不过没有一个IPC机制包含内建的同步方法。因此程序员不但需要自己在程序中实现同步，而且还需要为了利用IPC机制而自己开发通信协议。


共享内存
使用共享内存和使用malloc来分配内存区域很相似。使用共享内存的方法是：

1.        对一个进程/线程使用shmget分配内存区域。

2.        使用shmat放置一个或多个进程/线程在共享内存中，你也可以用shmctl来获取信息或者控制共享区域。

3.        使用shmdt从共享区域中分离。

4.        使用shmctl解除分配空间

下面是个例子:

//建立共享内存区域
intshared_id;
char *region;
const intshm_size = 1024;

shared_id = shmget(IPC_PRIVATE,//保证使用唯一ID
                   shm_size,
                   IPC_CREAT | IPC_EXCL |//创建一个新的内存区域 
                   S_IRUSR | S_IWUSR);//使当前用户可以读写这个区域

//交叉进程或生成进程.

                  
//将新建的内存区域放入进程/线程
region = (char*) shmat(segment_id, 0, 0);

//其他程序代码
...

//将各个进程/线程分离出来
shmdt(region);

//破坏掉共享内存区域
shmctl(shared_id, IPC_RMID, 0);

共享内存是Linux中最快速的IPC方法。他也是一个双向过程，共享区域内的任何进程都可以读写内存。这个机制的不利方面是其同步和协议都不受程序员控制，你必须确保将句柄传递给了子进程和线程。


内存映射文件
内存映射文件不仅仅用于IPC，在其他进程中它也有很大作用。如果你需要将一个分配的缓冲区初始化为零，只要记住/dev/zero 。你也可以通过将文件映射到内存中以提高其性能。它使你可以像读写字符串一样读写文件。下面是个例子：

const char filename[] = "testfile";
intfd;
char *mapped_mem;
const intflength = 1024;
fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
lseek(fd, flength + 1, SEEK_SET);
write(fd, "\0", 1);
lseek(fd, 0, SEEK_SET);

mapped_mem = mmap(0,
                  flength,
                  PROT_WRITE, //允许写入
                  MAP_SHARED,//写入内容被立即写入到文件
                  fd,
                  0);

close(fd);

//使用映射区域.
...

munmap(file_memory, flength);

利用内存映射来处理IPC的好处是在整个过程中你不需要处理句柄：只要打开文件并把它映射在合适的位置就行了。你可以在两个不相关的进程间使用内存映射文件。

使用内存映射的缺点是速度不如共享内存快。如果凑巧文件很大，所需要的虚拟内存就会很大，这样会造成整体性能下降。


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文本作者Mike Owens是一名Allscripts Healthcare解决方案的软件工程师,他从事软件行业已逾八年。
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Linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。

序

    Linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“system V IPC”，通信进程局限在单个计算机内；后者则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来，如图示：



    其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号；System V IPC包括：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区；Posix IPC包括：

    Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。有两点需要简单说明一下：1）由于Unix版本的多样性，电子电气工程协会（IEEE）开发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（PSOIX）。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的，而Linux从一开始就遵循POSIX标准；2）BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多Unix版本的单机IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。

    图一给出了Linux所支持的各种IPC手段，在本文接下来的讨论中，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下，所有问题的讨论最终都会归结到Linux环境下的进程间通信上来。并且，对于Linux所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本），将主要介绍Posix API。

    Linux下进程间通信的几种主要手段简介：

    1.管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：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）；

    报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列systemV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。

    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。

    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。

    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。

    下面将对上述通信机制做具体阐述。

    附1：参考文献[2]中对Linux环境下的进程进行了概括说明：

    一般来说，Linux下的进程包含以下几个关键要素：

    1.有一段可执行程序；
    2.有专用的系统堆栈空间；
    3.内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；
    4.具有独立的存储空间
    5.进程和线程有时候并不完全区分，而往往根据上下文理解其含义。
    参考文献：

    1.UNIX环境高级编程，作者：W.Richard Stevens，译者：尤晋元等，机械工业出版社。具有丰富的编程实例，以及关键函数伴随Unix的发展历程。 Linux内核源代码情景分析（上、下），毛德操、胡希明著，浙江大学出版社，提供了对Linux内核非常好的分析，同时，对一些关键概念的背景进行了详细的说明。

    2.UNIX网络编程第二卷：进程间通信，作者：W.Richard Stevens，译者：杨继张，清华大学出版社。一本比较全面阐述Unix环境下进程间通信的书（没有信号和套接口，套接口在第一卷