IPC机制

前言

IPC - 进程间通信，常用于多进程编程中用以共享数据， 系统学习，概念性的东西，过往的操作中经常使用 socket进行IPC，但是其他也要做些了解，本篇简单总结

通信方式

1. 管道

1.1 匿名管道

场景

cat xx.txt|grep a

敲过linux命令的都能看懂这个命令，这就是一种匿名管道的使用，匿名管道只能在通过 fork 的方式创建的进程下面进行通信，所以信息流是单向的

原理

内核空间无格式的字节流数据,
依赖文件系统，进程结束自动销毁
单向通信，上下游进程默认同步
fork的进程会继承父进程打开的fd所以，适用于父子进程或者亲缘关系进程

总结

匿名管道，它的通信范围只能是存在父子/亲缘关系的进程

1.2 命名管道FIFO

场景

双向信息流

原理

内核空间无格式的字节流数据
设备文件
事先创建管道文件，使用 mkfifo fifo 创建命名管道

总结

可用于任意进程间通信

不管匿名管道还是命名管道，在实际场景中都较少使用，但是一些特定场景可能使用他比其他方式来的效率更高，比如本机大文件的传输

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2. 消息队列

原理

内核空间消息链表
消息体由用户自定义格式，每个消息体固定大小存储

问题

内核态用户态切换和数据拷贝
必须显示释放，否则不会随着进程结束而释放掉内存，除非操作系统重启

总结

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3. 共享内存

原理

虚拟内存映射相同的物理地址，避免内核态用户态切换和数据拷贝

问题

并发问题，非并发安全的，当多个进程向同一个共享内存中写入数据时可能产生覆盖，如何解决？加锁呗，即信号量机制

4. 信号量

场景

用于进程间互斥和同步

原理

内核直接管理，是一个整数型计数器，实现进程间的互斥和同步，非用于缓存进程间的通信数据，有两类：二值信号量， 计数信号量， 二值信号量即1/0 用来实现互斥/同步， 计数信号量用作程序计数用

• 两种原子操作

  • P操作
    信号量 -1，相减后若信号量<0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后若信号量>=0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。
  • V操作
    信号量 +1，相加后若信号量<=0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后若信号量>0，则表明当前没有阻塞中的进程。

• 实例

  • 互斥信号量： 信号量初始值为1， 此机制保证内存在任何时刻只有一个进程访问。

    可以看到互斥需两个因素， ①信号量=1 ②同一个进程执行PV操作

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  • 同步信号量：信号量初始值为0， 此机制除了保证互斥外，亦可保证同步顺序

  上图展示了两个进程，其中进程1在进程2之前执行可以看到同步需两个因素， ①信号量=0 ②PV操作不在同一进程

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  上面两图提到了临界区对应的有一个临界资源，怎么理解？
  临界资源： 同一时刻，只允许一个进程或线程访问的资源
  临界区：访问临界资源的代码段，这段代码中进程/线程将访问共享资源,当另外一个进程/线程已经在这段代码中运行时.这个进程/线程就不能在这段代码中执行，控制对临界资源的访问就是控制程序进入临界区来完成的

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5. 信号

异步通信， 一个数字， 信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制

• 场景
  kill -9 xx：SIGKILL信号，立即结束进程
  ctrl+c： SIGINT信号，强制中断程序的执行，杀死程序的进程
  ctrl+z： SIGTSTP信号，中断任务，挂起进程， fg重新执行，bg直接杀掉， vim一个文件可以测试下

6. Socket

跨网络和不同主机需要使用socket进行通信了，以上的5种全部是同台主机的机制
一般这类的是通过TCP/UDP协议