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进程间通信

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深刻理解 Linux 进程间通信（IPC）

一个大型的应用系统，往往需要众多进程协作，进程（ 进程概念见附 ）间通信的重要性显而

易见。本系列文章阐述了  环境下的几种主要进程间通信手段，并针对每个通信手段关键技术环节给

出详细实例。为达到阐明问题的目的，本文还对某些通信手段的内部实现机制进行了分析。

序

 下的进程通信手段基本上是从  平台上的进程通信手段继承而来的。而对  发展做出重大贡

献的两大主力  的贝尔实验室及 （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  早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“

，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（）的进程间

通信机制。 则把两者继承了下来，如图示：

其中，最初

 包括：

管道、、

信号；

 包括：

 消息

队列、

 信号灯、

 共享

内存区； 包括：  消息队列、 信号灯、 共享内存区。有两点需要简单说明一

下：）由于  版本的多样性，电子电气工程协会（）开发了一个独立的  标准，这个新的

  标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（!）。现有大部分  和流行版本都

是遵循 ! 标准的，而  从一开始就遵循 ! 标准；"） 并不是没有涉足单机内的进程间

通信（ 本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多  版本的单机  留有  的

痕迹，如 #$# 支持的匿名内存映射、#$%& 对可靠信号语义的实现等等。

图一给出了 所支持的各种  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  的各个版本的情况下，所有问题的讨论最终都会归结到  环境下的进程间通信上来。并且，

对于  所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有  共享内存区以及 

共享内存区两个实现版本），将主要介绍 。

 下进程间通信的几种主要手段简介：

$ 管道（'）及有名管道（()''）：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；

"$ 信号（*(）：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； 除了支持  早期信号语义函数 *( 外，

还支持语义符合 $ 标准的信号函数 *(（实际上，该函数是基于  的， 为

了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用 *( 函数重新实现了 *( 函数）；

%$ 报文（+(*）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括  消息队列

 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  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（('-.）：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（）：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  系统的  分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类  系统上： 和

 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 ：参考文献0"1中对  环境下的进程进行了概括说明：

一般来说， 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 环境进程间通信（一）

管道及有名管道

在本系列序中作者概述了 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。

1、管道概述及相关 API 应用

1.1 管道相关的关键概念

管道是  支持的最初  形式之一，具有以下特点：

 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）；

 单独构成一种独立的文件系统：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，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

 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。

1.2 管道的创建：

2)3)$-4

''56)0"17

该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由 ''57创

建管道后，一般再 6. 一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信（因此也不难推出，只要两个

进程中存在亲缘关系，这里的亲缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。

1.3 管道的读写规则：

管道两端可分别用描述字 6)081以及 6)01来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端

只能用于读，由描述字 6)081表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字 6)01来表示，称

其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的

9 函数都可以用于管道，如 、.()、:. 等等。

从管道中读取数据：

 如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为 8；

 当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于 ;，则返回管道中现有的数据字节数，

如果请求的字节数目不大于 ;，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小

于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。注：

（; 在 )99$- 中定义，不同的内核版本可能会有所不同。$ 要

求 ; 至少为 ," 字节，.)-(<$" 中为 #8=/）。

关于管道的读规则验证：

9>>>>>>>>>>>>>>

>.()$>

>>>>>>>>>>>>>>9

2)3)$-4

2)39'$-4

2)3..$-4

(57

'';6)0"1@

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