树莓派开始，玩转Linux22：进程间的悄悄话

朱雀 2023-01-20 13:59 10阅读 0赞

## 树莓派开始，玩转Linux22：进程间的悄悄话 ##

有了进程空间的概念，我们可以看到进程的独立性。每个进程的数据停留在自己的进程空间里，互不干涉。这样的独立性，让每个进程可以专注于自己的任务，大大减少了进程间相互干扰而出错的可能性。然而，有的时候，我们又需要打破这种独立性，让进程之间分享数据，从而协调工作。这个时候，就需要进行进程间通信（IPC，Inter-processCommunication）。

**1.管道：**

从广义上说，任何能在进程间传送信息的方式都属于IPC。我们先来回顾一些已经接触过的IPC的方式。一种原始的IPC方式就是进程间通过文件来交换信息，即一个进程往文件里写数据，另一个进程从文件中读出数据。

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在上面的命令中，ping的进程持续运行，并向文件log.txt中输出。随后，我们循环启动tail进程。每次这个进程都从log.txt读出最后一行。这种形式的数据交换发生在log.txt存活的SD卡中，而不是ping或tail进程空间所在的内存，因此可以绕开进程空间相互独立的限制。但相对于内存，存储器读写速度慢，所以这个方式效率低。此外，多进程同时写入同一个文件，很容易造成文本混乱。

信号也算是一种IPC。一个进程发出信号，放入目标进程的描述符。另一个进程进行系统调用时，在自己的描述符中看到该信号。两个进程通过信号进行了简单的数据交换。信号的一大缺点是无法大量交换数据。信号的数据交换发生在内核的进程描述符中，因为内核空间和进程空间独立，所以也绕开了进程空间相互独立的限制。

在介绍Linux文本流时，我们使用了管道。管道直接把一个进程的输出和另一个进程的输入连接起来。由于管道实现了进程间的数据交换，因此管道也是一种IPC。通过管道，进程间可以通过文本传输大量数据。我们已经在Shell中实验过管道。  
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这个命令会同时启动两个进程，分别运行ping和cut的程序。每当ping输出到标准输出时，输出信息会通过管道传递给cut的进程。前者负责探测网络，后者负责裁剪输出，各司其职，又可以协同合作。由于管道兼具速度和数据量优势，因此在IPC方面，管道要比文件和信号都常用。

基于管道的进程间数据交换也发生在内核空间。与信号类似，它也是通过内核空间来绕开进程空间的独立性限制。创建管道之后，这个管道在内核空间里会有一个专用的缓冲区，用于存放要传输的数据。输出进程会向这个缓冲区不断地写入数据，而输入进程会从缓冲区按照顺序取出数据。从效果上来看，数据沿着管子有序地从一个进程流入另一个进程。

管道的缓冲区不需要很大。它被设计成环形的数据结构，可以循环利用。当旧的数据已经取出时，新数据就可以占用这块内存空间了。如果缓冲区中没有数据，则从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入数据。如果缓存区放满数据，则尝试放入数据的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结时，管道会自动消失，缓冲区的内存空间也会收回。

**2.管道的创建：**

Linux创建管道的经典方式，是利用fork机制。管道基于文本流，打开和操作方式类似于Linux中的文件。在介绍资源的fork时提到过，进程会把打开文件的信息复制给子进程。这样进程输入和输出端口的信息也会复制到子进程。因此，一个进程会像新建文件一样，先创建一个管道，该进程的输入和输出，都直接接在这个管道上。

完成了上述准备步骤之后，进程会fork。随着资源的fork，进程到管道的两个连接也复制到了子进程上，两个进程同时接上同一个管道。

随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接。父进程关闭从管道来的输入连接，即子进程输出到管道的连接。这样，剩下的连接就形成了可以从一个进程向另一个进程传输的管道。

由于这种创建管道的方式基于fork机制，因此管道必须用于父进程和子进程之间，或者拥有相同祖先的两个子进程之间。

为了解决这一问题，Linux提供了命名管道（Named Pipe）。命名管道的基础是FIFO（First In First Out）。FIFO是一种特殊的文件类型，它在文件系统中有对应的路径。如果一个进程以读的方式打开  
FIFO文件，而另一个进程以写的方式打开同一文件，那么内核就会在这两个进程之间建立管道。虽然用法上和文件一样，但FIFO存活于内核空间，所以它的IPC效率比存储器文件的IPC高得多。

FIFO文件的命名，其实就是管道遵循的"先进先出"的队列数据结构，从而保证信息的有序传输。虽然命名管道和无名管道的运作方式相同，但FIFO借用了文件系统，在文件系统中表征成一个文件。只要两个进程读写同一FIFO文件，就可以自由地建立管道，可以直接用命令来创建命名管道：

![在这里插入图片描述][2021051314443645.png]  
例如，下面的命令可以在临时文件夹创建一个命名管道。

![在这里插入图片描述][20210513144500810.png]  
打开两个命令行窗口，在窗口1中输入：  
![在这里插入图片描述][20210513144530613.png]  
在窗口2中输入：  
![在这里插入图片描述][20210513144544913.png]  
返回窗口1，我们就会看到echo的内容被命名管道传递到了这边。

使用rm命令删除FIFO文件时，命名管道连接也随之消失。由于可以借用文件系统的创建、搜索和删除功能，命名管道在管理上更加方便。

管道是Linux系统下非常常用的IPC方式。在Linux系统中，管道共用了存储器文件的API，所以从创建到使用都很方便，但管道有时也不能完全满足我们进行IPC的需要。下一节将介绍管道之外的其他IPC方式。

**3.其他IPC方式：**

本节介绍的IPC都有悠久的历史。它们通过不同的方式，实现了进程间的资源共享。我们分别来看这些IPC方式。

1.消息队列  
消息队列（Message Queue）与管道有些类似。它也是在内核空间中把数据排好队，先放入队列的消息被最先取出。正如名字就已经说明的，消息队列的数据单元是一条长度不定的消息，这一点和管道以字节为单位的数据流不同。此外，管道两端都只能连接一个进程。而消息队列允许多个进程参与，既可以有多个进程往队列中放入消息，也可以有多个进程从队列中取出消息。因为消息队列不依附于特定的进程，所以消息队列不会像管道那样自动消失。消息队列一旦创建，会一直留在内核空间中，直到某个进程删除该队列。像流水线一样的消息队列，如图所示。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
像流水线一样的消息队列

消息进入队列就已经排好序了。某个进程从队列中取出消息时，按照先进先出的顺序逐个取出所有消息。消息放入消息队列时，还可以带有一个整数，作为该消息的类型。当进程取出消息时，也可以提供类型参数，按照先进先出的顺序，只取出某个类型的消息。在这种时候，类型就起到了筛选消息的功能。

需要注意的是，在使用消息队列时，要注意及时删除队列，以免造成内核空间的浪费。

下面，我们用C语言编写使用消息队列传输数据的程序。  
发送端：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
发送方运行效果如下所示。  
![在这里插入图片描述][20210513145052125.png]  
接收方的运行效果如下所示。  
![在这里插入图片描述][20210513145119449.png]  
2.共享内存  
共享内存（Shared Memory）的IPC方式从另一个思路出发，直接打破了进程空间的独立性限制。一个进程可以将自己内存空间中的一部分拿出来作为共享内存，并允许其他进程直接读写。在这个过程中，数据始终停留在同一个地方，不需要迁移到存储器空间或内核空间，所以它是效率最高的IPC方式。

共享内存特别适用于大数据量的情景，比如图像处理。图像处理时可能用四个进程分别负责图像读取、图像旋转、图像平滑和图像存储。这样一种流水线式的多进程协同方式，特别适用于多核的CPU。如果按照之前的IPC方式，大尺寸的图像数据在进程间接力时必须复制到内核空间或存储器，则会大大降低计算机的处理速度。这个时候，共享内存就是最好的IPC方式。

图像读入进程把存储器中的图像数据放入自己的内存空间，并把该部分内存空间设置为共享内存。此后的图像选择、图像平衡和图像存储进程，都会直接读写第一个进程的内存区域。从图像数据进入内存开始，直到处理后的数据存储，图像数据都待在内存中的同一个位置，计算机的处理效率自然大为提高。共享内存就像是两个人耕耘同一片田地，如图所示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
共享内存：两个人耕耘同一片田地

一个用共享内存在父子进程间共享数据的C语言例子如下。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MDczNDUxNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
运行程序后，父进程的内容将会用蓝色输出，子进程的内容会用默认颜色输出。用键盘输入一段文字将会被子进程捕获后修改共享内存，接着父进程将会获得修改过的内容。

3.套接字  
套接字（socket）也是一种常见的IPC方式，在互联网通信上扮演着关键角色。我们可以把互联网通信也理解成IPC问题，只不过这个时候的多个进程可以分布在不同的电脑上。互联网上常用的网络协议都可以通过套接字的方式连接，从而连接分别位于两台计算机上的两个进程。

比如，可以把访问某个网站看作是本地电脑的浏览器进程和远程电脑的服务器进程的一次套接字IPC。通过这样一次IPC，本地电脑和远程电脑交换了数据，我们也就看到了本来不存在于我们电脑上的网页内容。网络通信超出了本文的范围，这里就不过多深入网络套接字了。

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