linux 进程间通信的3种高级方式及优缺点

由于不同的进程运行在各自不同的内存空间中．一方对于变量的修改另一方是无法感知的．因此．进程之间的信息传递不可能通过变量或其它数据结构直接进行，只能通进程间通信来完成。

根据进程通信时信息量大小的不同，可以将进程通信划分为两大类型：控制信息的通信和大批数据信息的通信．前者称为低级通信，后者称为高级通信。

低级通信主要用于进程之间的同步、互斥、终止、挂起等等控制信息的传递。

高级通信主要用于进程间数据块的交换和共享 常见的高级通信有管道(PIPE)、消息队列(MESSAGE)、共享内存(SHARED MEM0RY)等。

这里主要比较一下高级通信的这三种方式的特点。

管道通信(PIPE)
      两个进程利用管道进行通信时．发送信息的进程称为写进程．接收信息的进程称为读进程。管道通信方式的中间介质就是文件．通常称这种文件为管道文件．它就像管道一样将一个写进程和一个读进程连接在一起，实现两个进程之间的通信。写进程通过写入端(发送端)往管道文件中写入信息；读进程通过读出端(接收端)从管道文件中读取信息。两个进程协调不断地进行写和读，便会构成双方通过管道传递信息的流水线。
      利用系统调用PIPE()可以创建一个无名管道文件，通常称为无名管道或PIPE；利用系统调用MKNOD()可以创建一个有名管道文件．通常称为有名管道或FIFO。无名管道是一种非永
久性的管道通信机构．当它访问的进程全部终止时，它也将随之被撤消。无名管道只能用在具有家族联系的进程之间。有名管道可以长期存在于系统之中．而且提供给任意关系的进程使用，但是使用不当容易导致出错．所以操作系统将命名管道的管理权交由系统来加以控制管道文件被创建后，可以通过系统调用WRITE()和READ()来实现对管道的读写操作；通信完后，可用CLOSE()将管道文件关闭。

消息缓冲通信(MESSAGE)
      多个独立的进程之间可以通过消息缓冲机制来相互通信．这种通信的实现是以消息缓冲区为中间介质．通信双方的发送和接收操作均以消息为单位。在存储器中，消息缓冲区被组织成队列，通常称之为消息队列。消息队列一旦创建后即可由多进程共享．发送消息的进程可以在任意时刻发送任意个消息到指定的消息队列上，并检查是否有接收进程在等待它所发送的消息。若有则唤醒它：而接收消息的进程可以在需要消息的时候到指定的消息队列上获取消息．如果消息还没有到来．则转入睡眠状态等待。

共享内存通信(SHARED MEMORY)
      针对消息缓冲需要占用CPU进行消息复制的缺点．OS提供了一种进程间直接进行数据交换的通信方式一共享内存 顾名思义．这种通信方式允许多个进程在外部通信协议或同步，互斥机制的支持下使用同一个内存段(作为中间介质)进行通信．它是一种最有效的数据通信方式，其特点是没有中间环节．直接将共享的内存页面通过附接．映射到相互通信的进程各自的虚拟地址空间中．从而使多个进程可以直接访问同一个物理内存页面．如同访问自己的私有空间一样(但实质上不是私有的而是共享的)。因此这种进程间通信方式是在同一个计算机系统中的诸进程间实现通信的最快捷的方法．而它的局限性也在于此．即共享内存的诸进程必须共处同一个计算机系统．有物理内存可以共享才行。

三种方式的特点（优缺点）：

1.无名管道简单方便．但局限于单向通信的工作方式．并且只能在创建它的进程及其子孙进程之间实现管道的共享：有名管道虽然可以提供给任意关系的进程使用．但是由于其长期存在于系统之中，使用不当容易出错。

2.消息缓冲可以不再局限于父子进程．而允许任意进程通过共享消息队列来实现进程间通信．并由系统调用函数来实现消息发送和接收之间的同步．从而使得用户在使用消息缓冲进行通信时不再需要考虑同步问题．使用方便，但是信息的复制需要额外消耗CPU的时间．不适宜于信息量大或操作频繁的场合。

3.共享内存针对消息缓冲的缺点改而利用内存缓冲区直接交换信息，无须复制，快捷、信息量大是其优点。但是共享内存的通信方式是通过将共享的内存缓冲区直接附加到进程的虚拟地址空间中来实现的．因此，这些进程之间的读写操作的同步问题操作系统无法实现。必须由各进程利用其他同步工具解决。另外，由于内存实体存在于计算机系统中．所以只能由处于同一个计算机系统中的诸进程共享。不方便网络通信。

补充：

1.

# 管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。

# 有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

# 信号量( semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

# 消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

# 信号 ( sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

#共享内存( shared memory)：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的IPC方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。# 套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

管道的主要局限性正体现在它的特点上：
只支持单向数据流；
只能用于具有亲缘关系的进程之间；
没有名字；
管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；

2.

用于进程间通讯(IPC)的四种不同技术: 
1. 消息传递(管道,FIFO,posix和system v消息队列) 
2. 同步(互斥锁,条件变量,读写锁,文件和记录锁,Posix和System V信号灯) 
3. 共享内存区(匿名共享内存区,有名Posix共享内存区,有名System V共享内存区) 
4. 过程调用(Solaris门,Sun RPC) 
消息队列和过程调用往往单独使用,也就是说它们通常提供了自己的同步机制.相反,共享内存区通常需要由应用程序提供的某种同步形式才能正常工作.解决某个特定问题应使用哪种IPC不存在简单的判定,应该逐渐熟悉各种IPC形式提供的机制,然后根据特定应用的要求比较它们的特性. 

必须考虑的四个前提: 
1. 联网的还是非联网的.IPC适用于单台主机上的进程或线程间的.如果应用程序有可能分布到多台主机上,那就要考虑使用套接字代替IPC,从而简化以后向联网的应用程序转移的工作. 
2. 可移植性. 
3. 性能,在具体的开发环境下运行测试程序,比较几种IPC的性能差异. 
4. 实时调度.如果需要这一特性,而且所用的系统也支持posix实时调度选项,那就考虑使用Posix的消息传递和同步函数. 

各种IPC之间的一些主要差异: 
1. 管道和FIFO是字节流,没有消息边界.Posix消息和System V消息则有从发送者向接受者维护的记录边界(eg:TCP是没有记录边界的字节流,UDP则提供具有记录边界的消息). 
2. 当有一个消息放置到一个空队列中时,Posix消息队列可向一个进程发送一个信号,或者启动一个新的线程.System V则不提供类似的通知形式. 
3. 管道和FIFO的数据字节是先进先出的.Posix消息和System V消息具有由发送者赋予的优先级.从一个Posix消息队列读出时,首先返回的总是优先级最高的消息.从一个System V消息队列读出时,读出者可以要求想要的任意优先级的消息. 
4. 在众多的消息传递技术—管道,FIFO,Posix消息队列和System V消息队列—中,可从一个信号处理程序中调用的函数只有read和write(适用于管道和FIFO). 

比较不同形式的消息传递时,我们感兴趣的有两种测量尺度: 
1.带宽(bandwidth):数据通过IPC通道转移的速度.为测量该值,我们从一个进程向另一个进程发送大量数据(几百万字节).我们还给不同大小的I/O操作(例如管道和FIFO的write和read操作)测量该值,期待发现带宽随每个I/O操作的数据量的增长而增长的规律. 
2. 延迟(latency):一个小的IPC消息从一个进程到令一个进程再返回来所花的时间.我们测量的是只有一个1个字节的消息从一个进程到令一个进程再回来的时间(往返时间)

在现实世界中,带宽告诉我们大块数据通过一个IPC通道发送出去需花多长时间,然而IPC也用于传递小的控制信息,系统处理这些小消息所需的时间就由延迟提供.这两个数都很重要.