进程间的通信方式
进程间的通信方式
- 管道
- 是内核里面的一串缓存
- 通信的数据是无格式的流并且大小受限
- 传输数据是单向的
- 通信方式效率低
- 先进先出
- 匿名管道，父子进程
- 命名管道，不相关进程
- 消息队列
- 是保存在内核中的消息链表
- 通信不及时
- 不适合比较大数据的传输
- 存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销
管道在被接收之前，发送的程序会卡在那，直到被接收。消息队列，发送方发送完就可以返回。
- 共享内存
- 不同进程映射到相同的物理内存中
- 所有方式中最快的
- 多进程竞争同个共享资源会造成数据的错乱
- 信号量
- 是一个整型的计数器
- 实现进程间的互斥与同步（共享内存的问题，互斥）
- 互斥信号量设置为1，同步信号量设置为0
- 信号
- 前面的都是常规通信方式，异常情况下 需要用「信号」的方式来通知进程
- 唯一的异步通信机制
- Socket
- 不同主机（相同的也可以）
管道
两种类型
- 匿名管道
ps auxf | grep mysql
- 命名管道
mkfifo myPipe
创建了一个名为myPipe的命名管道，其中命令mkfifo意思是创建一个管道，就像mkdir意思是创建一个文件夹。fifo表示first in first out，我们就认为fifo是管道的别称吧。管道中的数据是先进先出的。
在Linux中一切都是文件，管道也是一种文件，我们可以用ls命令在创建管道的文件夹下看到这个名为myPipe的文件。
echo "hello" > myPipe // 将数据写进管道
// 停住了 ...
只有当管道里的数据被读完后，命令才可以正常退出。此时没有人来读取管道中的数据，所以看起来像是卡在这了。我们新建一个终端来读取管道中的数据。
cat < myPipe // 读取管道里的数据
hello
此时，上面那个卡住的终端正常退出，读取管道的终端显示了管道中的数据hello
管道的原理
匿名管道的创建，需要通过下面这个系统调用：
int pipe(int fd[2])
这里表示创建一个匿名管道，并返回了两个描述符，一个是管道的读取端描述符fd[0]，另一个是管道的写入端描述符fd[1]。注意，这个匿名管道是特殊的文件，只存在于内存，不存于文件系统中。
其实，所谓的管道，就是内核里面的一串缓存。从管道的一段写入的数据，实际上是缓存在内核中的，另一端读取，也就是从内核中读取这段数据。另外，管道传输的数据是无格式的流且大小受限。
这两个描述符都是在一个进程里面，怎么样才能使得管道是跨过两个进程的呢？
我们可以使用fork创建子进程，创建的子进程会复制父进程的文件描述符，这样就做到了两个进程各有两个「fd[0]与fd[1]」，两个进程就可以通过各自的 fd 写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了。
复习fork函数的作用
fork函数用来创建一个子进程。对于父进程，fork()函数返回新创建的子进程的PID。对于子进程，fork()函数调用成功会返回0。如果创建出错，fork()函数返回-1。
fork()函数，其原型如下：
#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
fork()函数不需要参数，返回值是一个进程标识符PID。返回值有以下三种情况：
（1）对于父进程，fork()函数返回新创建的子进程的PID。
（2）对于子进程，fork()函数调用成功会返回0。
（3）如果创建出错，fork()函数返回-1。
fork()函数创建一个新进程后，会为这个新进程分配进程空间，将父进程的进程空间中的内容复制到子进程的进程空间中，包括父进程的数据段和堆栈段，并且和父进程共享代码段。这时候，子进程和父进程一模一样，都接受系统的调度。因为两个进程都停留在fork()函数中（因为子进程是复制父进程，相当于这个fork函数也被复制了），最后fork()函数会返回两次，一次在父进程中返回，一次在子进程中返回，两次返回的值不一样，如上面的三种情况。
因为父进程和子进程都可以同时写入，也都可以读出。那么，为了避免这种情况，通常的做法是：
- 父进程关闭读取的 fd[0]，只保留写入的 fd[1]；
- 子进程关闭写入的 fd[1]，只保留读取的 fd[0]；
在 shell 里面执行A | B命令的时候，A 进程和 B 进程都是 shell 创建出来的子进程，A 和 B 之间不存在父子关系，它俩的父进程都是 shell。
看到这里就不应该再疑惑下面这两句话是不是有矛盾了
- 匿名管道的通信范围是存在父子关系的进程
- Linux中A ｜ B 使用的是匿名管道
消息队列
A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。
消息队列是保存在内核中的消息链表，在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定大小的存储块，不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体，内核就会把这个消息体删除。
消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁。
共享内存
信号量
信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。
信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：
- 一个是P 操作，这个操作会把信号量减去 1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。
- 另一个是V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；
P 操作是用在进入共享资源之前，V 操作是用在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的。（但是后面的同步信号量好像又不是这样）
- 互斥信号量：信号量初始化为1
保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问（也即互斥），很好的保护了共享内存。
- 同步信号量：信号量初始化为0
保证进程 A 应在进程 B 之前执行。进程 A 是负责生产数据，而进程 B 是负责读取数据，这两个进程是相互合作、相互依赖的，进程 A 必须先生产了数据，进程 B 才能读取到数据，所以执行是有前后顺序的。
具体过程：
- 如果进程 B 比进程 A 先执行了，那么执行到 P 操作时，由于信号量初始值为 0，故信号量会变为 -1，表示进程 A 还没生产数据，于是进程 B 就阻塞等待；
- 接着，当进程 A 生产完数据后，执行了 V 操作，就会使得信号量变为 0，于是就会唤醒阻塞在 P 操作的进程 B；
- 最后，进程 B 被唤醒后，意味着进程 A 已经生产了数据，于是进程 B 就可以正常读取数据了。
信号
通过kill -l命令，查看所有的信号。
发送signal的函数为什么叫做kill？
因为 kill 一开始只是用来杀死进程。随着unix的发展，慢慢增加了许多另外的 signal。POSIX 也考虑过改名，但历史原因改不了了吧。
history - Why is the UNIX system call kill named 'kill'? - Unix & Linux Stack Exchange
$ kill -l
1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP
6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1
11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP
21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR
31) SIGSYS 34) SIGRTMIN 35) SIGRTMIN+1 36) SIGRTMIN+2 37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4 39) SIGRTMIN+5 40) SIGRTMIN+6 41) SIGRTMIN+7 42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9 44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9 56) SIGRTMAX-8 57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6 59) SIGRTMAX-5 60) SIGRTMAX-4 61) SIGRTMAX-3 62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1 64) SIGRTMAX
- Ctrl+C 产生
SIGINT信号，表示终止该进程； - Ctrl+Z 产生
SIGTSTP信号，表示停止该进程，但还未结束； - kill -9 1050 ，表示给 PID 为 1050 的进程发送
SIGKILL信号，用来立即结束该进程；
一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式。
1.执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。
2.捕捉信号。我们可以为信号定义一个信号处理函数。当信号发生时，我们就执行相应的信号处理函数。
3.忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即SIGKILL和SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程。
Socket
在不同主机之间通信，也可以在同一台主机上进程之间通信。本地字节流 socket 和 本地数据报 socket 在 bind 的时候，不像 TCP 和 UDP 要绑定 IP 地址和端口，而是绑定一个本地文件，这也就是它们之间的最大区别。
总结
由于每个进程的用户空间都是独立的，不能相互访问，这时就需要借助内核空间来实现进程间通信，原因很简单，每个进程都是共享一个内核空间。
Linux 内核提供了不少进程间通信的方式，其中最简单的方式就是管道，管道分为「匿名管道」和「命名管道」。
匿名管道顾名思义，它没有名字标识，匿名管道是特殊文件只存在于内存，没有存在于文件系统中，shell 命令中的「|」竖线就是匿名管道，通信的数据是无格式的流并且大小受限，通信的方式是单向的，数据只能在一个方向上流动，如果要双向通信，需要创建两个管道，再来匿名管道是只能用于存在父子关系的进程间通信，匿名管道的生命周期随着进程创建而建立，随着进程终止而消失。
命名管道突破了匿名管道只能在亲缘关系进程间的通信限制，因为使用命名管道的前提，需要在文件系统创建一个类型为 p 的设备文件，那么毫无关系的进程就可以通过这个设备文件进行通信。另外，不管是匿名管道还是命名管道，进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取，同时通信数据都遵循先进先出原则，不支持 lseek 之类的文件定位操作。
消息队列克服了管道通信的数据是无格式的字节流的问题，消息队列实际上是保存在内核的「消息链表」，消息队列的消息体是可以用户自定义的数据类型，发送数据时，会被分成一个一个独立的消息体，当然接收数据时，也要与发送方发送的消息体的数据类型保持一致，这样才能保证读取的数据是正确的。消息队列通信的速度不是最及时的，毕竟每次数据的写入和读取都需要经过用户态与内核态之间的拷贝过程。
共享内存可以解决消息队列通信中用户态与内核态之间数据拷贝过程带来的开销，它直接分配一个共享空间，每个进程都可以直接访问，就像访问进程自己的空间一样快捷方便，不需要陷入内核态或者系统调用，大大提高了通信的速度，享有最快的进程间通信方式之名。但是便捷高效的共享内存通信，带来新的问题，多进程竞争同个共享资源会造成数据的错乱。
那么，就需要信号量来保护共享资源，以确保任何时刻只能有一个进程访问共享资源，这种方式就是互斥访问。信号量不仅可以实现访问的互斥性，还可以实现进程间的同步，信号量其实是一个计数器，表示的是资源个数，其值可以通过两个原子操作来控制，分别是P 操作和 V 操作。
与信号量名字很相似的叫信号，它俩名字虽然相似，但功能一点儿都不一样。信号是异步通信机制，信号可以在应用进程和内核之间直接交互，内核也可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些系统事件，信号事件的来源主要有硬件来源（如键盘 Cltr+C ）和软件来源（如 kill 命令），一旦有信号发生，进程有三种方式响应信号 1. 执行默认操作、2. 捕捉信号、3. 忽略信号。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即SIGKILL和SIGSTOP，这是为了方便我们能在任何时候结束或停止某个进程。
前面说到的通信机制，都是工作于同一台主机，如果要与不同主机的进程间通信，那么就需要 Socket 通信了。Socket 实际上不仅用于不同的主机进程间通信，还可以用于本地主机进程间通信，可根据创建 Socket 的类型不同，分为三种常见的通信方式，一个是基于 TCP 协议的通信方式，一个是基于 UDP 协议的通信方式，一个是本地进程间通信方式。
以上，就是进程间通信的主要机制了。你可能会问了，那线程通信间的方式呢？
同个进程下的线程之间都是共享进程的资源，只要是共享变量都可以做到线程间通信，比如全局变量，所以对于线程间关注的不是通信方式，而是关注多线程竞争共享资源的问题，信号量也同样可以在线程间实现互斥与同步：
- 互斥的方式，可保证任意时刻只有一个线程访问共享资源；
- 同步的方式，可保证线程 A 应在线程 B 之前执行；
