0. 为什么进程间需要进行通信及通信方式

https://blog.csdn.net/alpha_love/article/details/62238170

1. 进程间通信的方式

管道:

管道(pipe),这是我们在学习Linux命令行的时候会引入的一个很重要的概念。它的发明人是道格拉斯.麦克罗伊,这位也是UNIX上早期shell的发明人。他在发明了shell之后,发现系统操作执行命令的时候,经常有需求要将一个程序的输出交给另一个程序进行处理,也因此,管道应运而生了。

管道可以分为两类:匿名管道和命名管道。

常见的Linux命令 “|” 其实就是匿名管道,表示把一个进程的输出传输到另外一个进程,如:

echo "golang" | awk -F 'l' '{print $2}'

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。

另外,我们可以通过 mkfifo 命令创建一个命名管道,如:

  1. mkfifo pipe
  2. 打开两个终端
  3. shell1 : echo 'golang' > pipe
  4. shell2 : cat < pipe

pipe.png

如果我另外一个窗口没有执行 cat < pipe 命令,则左边的窗口(echo ‘Happyjava’ > pipe)会一直阻塞。

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。

消息队列:

注意,此消息队列不是我们常用的MQ,如kafka,rabbitmq,rocketmq等。

消息队列提供了一种从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法。每个数据块被认为含有一个类型,接收进程可以独立地接收含有不同类型的数据结构。我们可以通过发送消息来避免命名管道的同步和阻塞问题。但是消息队列与命名管道一样,每个数据块都有一个最大长度的限制。

使用消息队列进行进程间通信,可能会受到数据块最大长度的限制约束等,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。如果频繁的发生进程间的通信行为,那么进程需要频繁地读取队列中的数据到内存,相当于间接地从一个进程拷贝到另一个进程,这需要花费时间。

共享内存:

共享内存这个通信方式就可以很好着解决拷贝所消耗的时间了。系统加载一个进程的时候,分配给进程的内存并不是实际物理内存,而是虚拟内存空间。那么我们可以让两个进程各自拿出一块虚拟地址空间来,然后映射到相同的物理内存中,这样,两个进程虽然有着独立的虚拟内存空间,但有一部分却是映射到相同的物理内存,这就完成了内存共享机制了。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。

信号量:

共享内存最大的问题是什么?没错,就是多进程竞争内存的问题,就像类似于我们平时说的线程安全问题。如何解决这个问题?这个时候我们的信号量就上场了。

信号量的本质就是一个计数器,用来实现进程之间的互斥与同步。例如信号量的初始值是 1,然后 a 进程来访问内存1的时候,我们就把信号量的值设为 0,然后进程b 也要来访问内存1的时候,看到信号量的值为 0 就知道已经有进程在访问内存1了,这个时候进程 b 就会访问不了内存1;当a进程不在继续访问内存1的时候会将信号量加1。所以说,信号量也是进程之间的一种通信方式。

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

信号:

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。信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制,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 SIGKILLSEGSTOP,这是为了方便我们能在任何时候结束或停止某个进程。

可以通过kill -l查看有哪些信号。

  1. ctrl+c (2)SIGINT
  2. kill pid (15)SIGTERM
  3. kill -9 pid (9)SIGKILL

约定SIGKILL kill -9 xxxx是无法被捕捉的。

Socket:

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。

这个就是我们一直在用的进程间的通信方式了,如我们的微信APP跟微信服务器通信,其实就是使用的Socket套接字(ip:port)进行通信的。

https://juejin.cn/post/6869933131751751694

2. 线程间通信的方式

上面了解了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;