进程的通信方式及特点

进程通信的含义

进程是转入内存并准备执行的程序,每个程序都有私有的虚拟地址空间,由代码,数据以及它可利用的系统资源(如文件,管道)组成.多进程/多线程是windows操作系统的一个基本特征.Linux系统一般都统称为进程.

由于不同的进程运行在各自不同的内存空间中,其中一个进程对于变量的修改另一方是无法感知的,因此,进程之间的消息传递不能通过变量或其他数据结构直接进行,只能通过进程间通信来完成.进程间通信是指不同进程间进行数据共享和数据交换.

进程通信的分类

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(低级通信)和大批数据信息的通信(高级通信).

低级通信主要用于进程之间的同步,互斥,终止和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数据的交换和共享,常见的高级通信有管道,消息队列,共享内存等.

进程通信的方式

1)文件和记录锁定

为避免两个进程间同时要求访问同一资源而引起访问和操作的混乱,在进程对共享资源进行访问前必须对其锁定,该进程访问完后再释放.这是UNIX为共享资源提供的互斥性保障.

2)管道

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.进程的亲缘关系一般指的是父子关系.管道一般用于两个不同进程之间的通信.当一个进程创建了一个管道,并调用fork创建自己的一个子进程后,父进程关闭读管道端,子进程关闭写管道端,这样提供了两个进程之间数据流动的一种方式.

3)有名管道

有名管道也是一种半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信.

4)FIFO

FIFO是一种先进先出的队列.它类似于一个管道,只允许数据的单向流动.每个FIFO都有一个名字,允许你不相关的进程访问同一个FIFO,因此也成为命名管.

5)信号量

信号量是一个计数器,可以用来控制多个线程对共享资源的访问.,它不是用于交换大批数据,而用于多线程之间的同步.它常作为一种锁机制,防止某进程在访问资源时其它进程也访问该资源.因此,主要作为进程间以及同一个进程内不同线程之间的同步手段.

6)信号

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.

7)消息队列

消息队列是消息的链表,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特点.消息队列是UNIX下不同进程之间可实现共享资源的一种机制,UNIX允许不同进程将格式化的数据流以消息队列形式发送给任意进程.对消息队列具有操作权限的进程都可以使用msget完成对消息队列的操作控制.通过使用消息类型,进程可以按任何顺序读信息,或为消息安排优先级顺序.

8)共享内存

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(进程间通信)方式,它是针对其它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与通信.

9)套接字(socket)

套接口也是一种进程间通信机制,与其他通信机制不同的是,它可用于不同进程及其间进程的通信.

通信方式的优缺点

几种通信方法总结综上所述．进程之间的多种通信方法各自有各自的优点和缺点：如果用户传递的信息较少．或是需要通过信号来触发某些行为．前文提到的软中断信号机制不失为一种简捷有效的进程间通信方式．但若是进程间要求传递的信息量比较大或者进程间存在交换数据的要求，那就需要考虑别的通信方式了。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．所以普通用户一般不建议使用。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，但是消息队列中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。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。不同的进程通信方式有不同的优点和缺点．因此．对于不同的应用问题，要根据问题本身的情况来选择进程间的通信方式。

一般来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为两种：即控制信息的传送与大批数据传送。有时也把进程间控制信息的交换称为低级通信，而把进程间大批量数据的交换称为高级通信。

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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，只能通过进程间通信来完成。

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。