2011年12月20日 星期二

深刻理解Linux進程間通信(IPC)



linux下的進程通信手段基本上是從Unix平臺上的進程通信手段繼承而來的。而對Unix發展做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體發佈中心)在進程間通信方面的側重點有所不同。前者對Unix早期的進程間通信手段進行了系統的改進和擴充,形成了“system V IPC”,通信進程局限在單個電腦內;後者則跳過了該限制,形成了基於套介面(socket)的進程間通信機制。Linux則把兩者繼承了下來,如圖示:


其中,最初Unix IPC包括:管道、FIFO、信號;System V IPC包括:System V訊息佇列、System V信號燈、System V共用記憶體區;Posix IPC包括: Posix訊息佇列、Posix信號燈、Posix共用記憶體區。有兩點需要簡單說明一下:1)由於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標準被稱為電腦環境的可攜性作業系統介面(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;2BSD並不是沒有涉足單機內的進程間通信(socket本身就可以用於單機內的進程間通信)。事實上,很多Unix版本的單機IPC留有BSD的痕跡,如4.4BSD支援的匿名記憶體映射、4.3+BSD對可靠信號語義的實現等等。

圖一給出了linux 所支持的各種IPC手段,在本文接下來的討論中,為了避免概念上的混淆,在盡可能少提及Unix的各個版本的情況下,所有問題的討論最終都會歸結到Linux環境下的進程間通信上來。並且,對於Linux所支持通信手段的不同實現版本(如對於共用記憶體來說,有Posix共用記憶體區以及System V共用記憶體區兩個實現版本),將主要介紹Posix API

linux下進程間通信的幾種主要手段簡介:

  1. 管道(Pipe)及有名管道(named pipe):管道可用於具有親緣關係進程間的通信,有名管道克服了管道沒有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它還允許無親緣關係進程間的通信;
  2. 信號(Signal):信號是比較複雜的通信方式,用於通知接受進程有某種事件發生,除了用於進程間通信外,進程還可以發送信號給進程本身;linux除了支援Unix早期信號語義函數sigal外,還支援語義符合Posix.1標準的信號函數sigaction(實際上,該函數是基於BSD的,BSD為了實現可靠信號機制,又能夠統一對外介面,用sigaction函數重新實現了signal函數);
  3. 報文(Message)佇列(訊息佇列):訊息佇列是消息的連結表,包括Posix訊息佇列system V訊息佇列。有足夠許可權的進程可以向佇列中添加消息,被賦予讀許可權的進程則可以讀走佇列中的消息。訊息佇列克服了信號承載信息量少,管道只能承載無格式位元組流以及緩衝區大小受限等缺點。
  4. 共用記憶體:使得多個進程可以訪問同一塊記憶體空間,是最快的可用IPC形式。是針對其他通信機制運行效率較低而設計的。往往與其它通信機制,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):主要作為進程間以及同一進程不同執行緒之間的同步手段。
  6. 套介面(Socket):更為一般的進程間通信機制,可用於不同機器之間的進程間通信。起初是由Unix系統的BSD分支開發出來的,但現在一般可以移植到其它類Unix系統上:LinuxSystem V的變種都支持通訊端。

下面將對上述通信機制做具體闡述。

1:參考文獻[2]中對linux環境下的進程進行了概括說明:

一般來說,linux下的進程包含以下幾個關鍵要素:

  • 有一段可執行程式;
  • 有專用的系統堆疊空間;
  • 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;
  • 具有獨立的存儲空間

進程和執行緒有時候並不完全區分,而往往根據上下文理解其含義。


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