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linux进程间通信与同步

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进程间通信与同步

一、概述

在单任务系统中，任务是线性执行，任务不可能被抢占，所以不需要同步来

保护共享资源与临界资源，同时单任务也不存在数据交换的问题，但对于多任务

操作系统，会出现与但任务系统不同的问题，进程间通信与同步就是为了解决

这些问题而提出的特有机制，它们为多任务系统提供了不同进程的通信机制，同

时也提供了对于临界资源和共享资源的保护。

进程间通信与同步是多任务系统中的不同表现形式,，对于一些嵌入式操作

系统，进程间通信与同步处于同一地址空间，这样使一些进程间通信机制同时可

以用作同步机制，比如在 UCOS 中的一些进程间通信与同步机制。对于另外一些

嵌入式操作系统中，进程间通信与同步处于不同的地址空间，它们是截然不同的

两种机制，相互间没有什么联系(不包括同一进程中的不同线程同步)，最典型

的就是嵌入式 Linux 中的进程间通信与同步机制。

二、进程间通信与同步区别与联系

在不同的嵌入式系统中，进程间通信与同步的实现方式有所不同，但是基本

原理都差不多。对于进程间通信与同步，主要有 2 种方式：虚拟内存系统中的进

程间通信与同步和 Falt 内存系统中的进程间通信与同步。

Linux 系统中的进程间通信是典型的虚拟内存系统中的进程间通信：Linux

的进程间通信是不同进程间交换数据的机制。由于 Linux 系统支持虚拟内存，

对于每一个进程，系统会为它分配一个单独的进程空间，不同的进程有不同的进

程空间，相互之间没有什么关系，在这种系统中，不能用全局变量等一般的手段

来实现不同进程间的数据交换，所以必须提供特有的数据交换机制：进程间通信。

同时此类系统中，由于内核空间是由不同的进程共享，所以在内核的数据可以由

不同的进程共享，不同的进程也可能同时需要访问临界资源，同时要考虑内核

中的中断，这种情况下，进程间的数据交换已经不是问题，现在的问题是如何保

护临界资源和共享资源不被同时访问造成资源的紊乱，这就是 Linux 的同步机

制。

UCOS 是比较典型的 Falt 内存系统，它不支持虚拟内存机制，也没有用户空间

和内核空间的区别，实际上它就象是 Linux 的内核空间，不同任务间可以相互访

问，没有不同进程间内存保护机制。所以可以完全利用 Linux 系统中的同一进

程中不同线程的通信机制。由于所有的任务与中断都共享同一地址空间，所以同

步机制也与任务间通信在同一空间中实现，是这 2 种机制的相互替换成为可能。

详细介绍：

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）；

3. 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 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。

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：

• 有一段可执行程序；

• 有专用的系统堆栈空间；

• 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；

• 具有独立的存储空间

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。

Linux 下进程间通信：管道-pipe 函数

* IPC

* Linux

* pipe

* 管道

* 进程间通信

摘要：在本系列序中作者概述了 linux 进程间通信的几种主要手段。其中管道和有名管道

是最早的进程间通信机制之一，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。认清管道和有名管道的读写规则是在程序中应用它们的关键，本文在详细讨论了管道

和有名管道的通信机制的基础上，用实例对其读写规则进行了程序验证，这样做有利于增

强读者对读写规则的感性认识，同时也提供了应用范例。本文来自网络，但原文出处难以查

证。

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周王武耳耳

2013-09-23

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