Linux-进程间通信
Linux 进程间通信
1. 目的
· 数据传输 ：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
· 资源共享 ：多个进程之间共享同样的资源
· 事件通知 ：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时通知父进程）
· 进程控制： 有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。
本质：让不同的进程，看到同一份资源！
2. 管道
2.1 核心原理
所以，内核文件系统的设计管理本身就可以做到：让不同的进程，看到同一份资源。
我们把从一个进程连接到另一个进程的一个 数据流 称为一个 “管道”。
2.2 匿名管道
使用系统接口，基于内核创建管理的一种 “ 内核级文件 ” ，本质是一个 内核缓冲区 ，进程通过读写这个缓冲区实现通信。
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);输出型参数：pipefd文件描述符数组： pipefd[0]读端 ， pipefd[1]写端
成功返回0； 失败返回-1， 错误码被设置
只能 用于具有 “亲缘关系” 的进程之间， 通常用于父子进程 ，因为子进程继承拷贝了父进程的大部分内核数据结构信息，这其中就 包括所打开的文件信息（fd_arry）。
四种情况：（命名管道也一样）
1. 管道内没有数据 && 写端不关闭：读端阻塞等待
2. 管道内被写满 && 读端不关闭 ： 写端阻塞等待
3. 写端关闭，读端可以继续读取管道内的数据，直到读完
4. 读端关闭 && 写端尝试写入，OS发送异常信号（13）直接终止写端进程
五种特性：
1. 用于具有亲缘关系的进程间
2. 单向性 （命名管道同）
3. 面向字节流（命名管道同）
4. 自带同步机制（即上述的 “四种情况”）（命名管道同）
5. 生命周期随进程，临时性
补充： 默认管道大小通常是64KB，系统全局最大管道大小可以通过 /proc/sys/pipe-max-size 进行调整；也可以在创建管道后，使用 fcntl 系统调用动态调整管道的大小。
为什么要有大小限制？
首先是 为了 避免资源耗尽 ，若不限制管道的大小，多个进程可能消耗大量内存，导致系统不稳定 。
其次是 为了 平衡速度与内存 ：适当的管道大小可以在速度和内存占用之间找到平衡。
所以，设置合适的管道大小，有助于提高进程间的通信效率，避免不必要的阻塞。
2.3 命名管道
磁盘级文件，但是不能持久化存储数据。
它可以 让没有 “亲缘关系” 的进程间也能通信 。
创建：
系统的指令工具：mkfifo
C 库函数：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);成功返回0； 失败返回-1， 错误码被设置。
在操作上，和 匿名管道不同的是： 命名管道的打开规则（open）
通常，如果不设置 O_NONBLOCK 参数：
写端先启动，阻塞等待 直到有写端打开时才同步打开此管道
读端先启动 ， 读端进程阻塞，等待写端进程打开管道；此时启动写端进程，由于读端已经阻塞，导致写端进程也卡住，等待读端准备好读取数据 —— 这是典型的 死锁 情况：读写端互相等待，导致两个进程都 无法继续执行 。
解决方式：1. 写端先open
设置非阻塞参数： O_NONBLOCK
设置管道超时机制
……
3. System V IPC
3.1 简介
用于在不同进程之间交换数据 或 同步 的机制！
同步 和 异步 是计算机科学和编程中的常见概念，主要用于描述 任务执行的方式 以及 程序流控制
同步（Synchronous） : 【阻塞式执行】 任务按照顺序执行，一个任务必须等待前一个任务完成后才能继续，确保多个进程访问共享资源 的 原子性操作【某个操作，只有两种状态，要么还没开始，要么已经结束】 ， 防止资源竞争和数据冲突 。
异步（Asynchronous）: 任务可以 并行或非阻塞执行 ，不需要等待前一个任务完成； 提高效率，减少等待时间 ，但是代码 复杂度增加，难以调试和控制程序流 。
场景：
同步：文件读写，小型脚本，CLI命令，…
异步：网络请求，GUI事件处理，服务器处理多用户请求，…
在实际开发中，同步和异步通常结合使用，根据具体的场景才能选择合适的方案。
回到正题：
System V IPC 是一套独立于文件系统的通信机制，通过 内核维护IPC对象资源 在进程间进行通信，所以， 即使进程终止，IPC对象仍然可以保留在内核中，直到显示删除 ；它在一定程度上，避免了传统文件系统操作带来的性能开销，适合高效的进程间数据交换和同步。
它包括：共享内存，消息队列，信号量
接下来，以共享内存为重点讲解，其它次之来分别介绍
3.2 共享内存（Shared Memory）
基于内存段，直接映射到进程的地址空间，数据在内存中传递（双向，可读可写），减少了内核态与用户态切换以及数据拷贝，速度快，传输量大
操作：
1. 创建/获取
2. 映射到进程的地址空间/解除映射
3. 控制
3.3 消息队列 (Message Queues)
允许一个进程以 结构化 消息的形式向队列发送消息，另一个进程向队列中读取消息；消息有优先级，可以按照特定顺序读取
操作是类似的（ 注意对比 ）：
3.4 信号量（Semaphores）
主要用于进程间的 同步【具有一定的顺序性】 和 互斥 【对共享资源的独占访问】 ，确保进程在访问共享资源时的协调和安全性；并不作为一种朴素的数据通信。
我们把 共享资源 就称为 ： 临界资源 或 互斥资源
涉及到访问临界资源的程序代码就叫： 临界区
信号量的本质就是：一个描述管理互斥资源的 “计数器”
下面引入一个具体的场景进行类比理解：
用户态接口：
（注意对比）
3.5 内核结构图（部分）
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