深入理解Linux進程間通訊（IPC）

linux下的進程通訊手段基本上是從Unix平臺上的進程通訊手段繼承而來的。而對Unix發展作出重大貢獻的兩大主力AT&T的貝爾實 驗室及BSD（加州大學伯克利分校的伯克利軟件發佈中心）在進程間通訊方面的側重點有所不一樣。前者對Unix早期的進程間通訊手段進行了系統的改進和擴 充，造成了「system V IPC」，通訊進程侷限在單個計算機內；後者則跳過了該限制，造成了基於套接口（socket）的進程間通訊機制。Linux則把二者繼承了下來，如圖 示：基於java反射的驗證框架

其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信號；System V IPC包括：System V消息隊列、System V信號燈、System V共享內存區；Posix IPC包括： Posix消息隊列、Posix信號燈、Posix共享內存區。有兩點須要簡單說明一下：1）因爲Unix版本的多樣性，電子電氣工程協會（IEEE）開 發了一個獨立的Unix標準，這個新的ANSI Unix標準被稱爲計算機環境的可移植性操做系統界面（PSOIX）。現有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標準的，而Linux從一開始就遵 循POSIX標準；2）BSD並非沒有涉足單機內的進程間通訊（socket自己就能夠用於單機內的進程間通訊）。事實上，不少Unix版本的單機 IPC留有BSD的痕跡，如4.4BSD支持的匿名內存映射、4.3+BSD對可靠信號語義的實現等等。

圖一給出了linux 所支持的各類IPC手段，在本文接下來的討論中，爲了不概念上的混淆，在儘量少說起Unix的各個版本的狀況下，全部問題的討論最終都會歸結到 Linux環境下的進程間通訊上來。而且，對於Linux所支持通訊手段的不一樣實現版本（如對於共享內存來講，有Posix共享內存區以及System V共享內存區兩個實現版本），將主要介紹Posix API。

linux下進程間通訊的幾種主要手段簡介：

1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用於具備親緣關係進程間的通訊，有名管道克服了管道沒有名字的限制，所以，除具備管道所具備的功能外，它還容許無親緣關係進程間的通訊；
2. 信號（Signal）：信號是比較複雜的通訊方式，用於通知接受進程有某種事件發生，除了用於進程間通訊 外，進程還能夠發送信號給進程自己；linux除了支持Unix早期信號語義函數sigal外，還支持語義符合Posix.1標準的信號函數 sigaction（實際上，該函數是基於BSD的，BSD爲了實現可靠信號機制，又可以統一對外接口，用sigaction函數從新實現了signal 函數）；
3. 報文（Message）隊列（消息隊列）：消息隊列是消息的連接表，包括Posix消息隊列system V消息隊列。有足夠權限的進程能夠向隊列中添加消息，被賦予讀權限的進程則能夠讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信號承載信息量少，管道只能承載無格式字 節流以及緩衝區大小受限等缺點。
4. 共享內存：使得多個進程能夠訪問同一塊內存空間，是最快的可用IPC形式。是針對其餘通訊機制運行效率較低而設計的。每每與其它通訊機制，如信號量結合使用，來達到進程間的同步及互斥。
5. 信號量（semaphore）：主要做爲進程間以及同一進程不一樣線程之間的同步手段。
6. 套接口（Socket）：更爲通常的進程間通訊機制，可用於不一樣機器之間的進程間通訊。起初是由Unix系統的BSD分支開發出來的，但如今通常能夠移植到其它類Unix系統上：Linux和System V的變種都支持套接字。

下面將對上述通訊機制作具體闡述。

附1：參考文獻[2]中對linux環境下的進程進行了歸納說明：

通常來講，linux下的進程包含如下幾個關鍵要素：

• 有一段可執行程序；
• 有專用的系統堆棧空間；
• 內核中有它的控制塊（進程控制塊），描述進程所佔用的資源，這樣，進程才能接受內核的調度；
• 具備獨立的存儲空間

進程和線程有時候並不徹底區分，而每每根據上下文理解其含義。

 

參考資料

• UNIX環境高級編程，做者：W.Richard Stevens，譯者：尤晉元等，機械工業出版社。具備豐富的編程實例，以及關鍵函數伴隨Unix的發展歷程。
  
  
• linux內核源代碼情景分析（上、下），毛德操、胡希明著，浙江大學出版社，提供了對linux內核很是好的分析，同時，對一些關鍵概念的背景進行了詳細的說明。
  
  
• UNIX網絡編程第二卷：進程間通訊，做者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學出版社。一本比較全面闡述Unix環境下進程間通訊的書（沒有信號和套接口，套接口在第一卷中）。