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Overview

进程间是相互保持独立的,内存管理中,就是保护进程的地址空间不被其他进程访问。而进程间通信 ( Inter-process Communication IPC) 用于在一个或多个进程间交换数据

进程间合作是那些可以影响或受其他过程影响的过程。例如网站包含 JS、H5、Flash,当有一个相应缓慢时,会发生整个网站的布局或其他功能的展示。

通常情况下进程间合作被允许的原因有:

  • 信息共享:多个进程需要访问同一个文件。(如管道)

  • 计算加速:将复杂功能拆分为多个子任务(多处理器时效果更佳),可以更快地解决问题

  • 模块化:将整体系统架构分为不同功能模块,模块间相互协作

  • 便利:单用户可以同时多任务处理,如 编辑、编译、打印等

Communications model

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(a) 消息队列(间接通信)                 (b) 共享内存(直接通信)

Message Passing

IPC背后关键的一点是消息的传递,即一个进程发消息,一个进程接收消息

而为了使进程间通信,就必须在进程间建立连接,连接可以是单/双向。连接可以使用直接通信和间接通信来实现

Direct Communication

直接通信,必须明确声明发送者或接收者的名称,通常定义为:

  • Send(P, message):发送信息到进程 P
  • Receive(Q, message):接收来自进程 Q 的信息

在直接通信中,一般连接的属性有以下特征:

  • 一个链路与一对进程相关联
  • 自动建立链接
  • 链接是通用的双向链接

Indirect Communication

间接通信,为异步通信,通常情况下互通信都需要有消息队列;发送者将信息放置消息队列中,接受者从消息队列中取出消息

  • Send(P, message):像消息队列发送消息
  • Receive(Q, message):接受消息队列中的消息
  • 每个进程都有唯一ID
  • 共享一个消息队列

在间接通信中,一般连接的属性有以下特征:

  • 一对进程共享消息队列时,才会在进程之间建立链接
  • 链接可以被许多进程关联
  • 链接可以是单向也可以是双向
  • 每个进程可以有多个链接
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  直接通信                                            间接通信

Synchronization

从另一方面来讲,消息传递可以是阻塞 Blocking 或非阻塞 Non-Blocking 的;同步 synchronous阻塞一个进程,直到发送完成。异步 asynchronous 则是是非阻塞的,发送操作完成后会立即返回不等待返回结果

Buffer

消息通过队列传递,队列的容量则具有下列三种配置之一:

  • 0容量:消息不能存储在队列中,因此发送者必须阻塞,直到接收者接受消息
  • 有限容量:队列中有一定的预先约定大小的容量。如果队列已满,发送者必须阻塞,直到队列中有可用空间(反之为空,接受者阻塞),否则可能是阻塞的或非阻塞的
  • 无限容量:具有无限容量的队列,发送者永远不会被迫阻塞

至此整节围绕对消息传递功能的三个方面做了介绍:

  • 直接或间接通信
  • 同步或异步通信
  • 显式缓冲

Signal

信号是一种有限IPC形式,通常用于Unix、类Unix、POSIX的操作系统。信号是异步的,发送信号后,操作系统会中断进程正常的执行流程来传递信号,如果进程注册过相关信号处理逻辑,则执行对应代码,否则按照POSIX标准执行相关操作。

信号类似于中断,与中断的区别是,中断是由CPU调解,内核处理,信号是由内核调解,用户程序处理

接收到信号时会发生什么?

  • catch: 指定信号处理函数被调用
  • ignore: 依靠操作系统的默认操作(abort,memory dump,suspend or resume process)
  • mask: 屏蔽信号因此不会传送(可能是暂时的,当处理同样类型的信号)

信号的缺点

  • 不能传输要交换的任何数据

信号的实现

  • 应用程序注册信号处理函数,作为系统调用发给操作系统
  • 产生了信号,操作系统返回为信号处理函数入口
  • 通过修改 Stack ,将后续的执行改为信号处理函数的入口

Pipe

管道是用来数据交换的,是进程之间最简单的通讯方式。通过将一个命令的输出,作为另一个命令的输入来实现的

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Message Queue

消息队列是按FIFO 无界 队列,克服了管道的一些缺点:

  • 无需父进程建立通道
  • Pipe是数据流,MQ是一个结构化数据
  • MQ和Pipe一样是 Bounded Buffer

使用消息队列的 IPC

Share Memory

共享内存是一种直接通信方式,对于进程来说,每个进程是私有地址空间;在每个地址空间内,明确地设置了共享内存段。

  • 优点:共享内存速度快更快,不需要系统调用并且以正常的内存速度进行访问。

  • 缺点

    • 设置更复杂

      • 需要保障进程间同步机制
    • 无法在在多台计算机上正常工作

如何实现内存共享

如图所示,可以将共享内存映射到两个不同的进程内存段之间

share memory

Other IPC

Socket被定义为通信中的端点,是指一对进程通过网络使用一对套接字进行通信,套接字由连接的端口号和 IP 地址组成,通常为C/S架构。

UNIX Domain Socket 是基于Socket网络通信架构的基础上发展出的一种IPC机制,相比于Socket,UNIX Domain Socket更高效。

IP Socket 是可以用在同一台主机的进程间通讯(通过loopback地址127.0.0.1),但 UNIX Domain Socket ,不是使用底层网络协议(不需要打包拆包、计算校验和、维护序号和应答等),所有通信都完全发生在操作系统内核中。通过使用文件系统,是两个进程可以同时打开一个UDS进行通信

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一些其他的IPC

  • RPC Remote Procedure Calls
  • 基于Socket的 FTP HTTP等

Reference

Processes

IPC

UNIX Domain Socket

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链接:ch12 进程间通讯

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