进程作为人类的发明，自然也免不了脱离人类的习性，也有通信的需求。如果进程之间不进行任何通信，那么进程所能完成的任务就要大打折扣。人类的通信方式无外乎对白（通过声音沟通）、打手势、写信、发电报、拥抱等方法。同理，进程也可以通过同样的方式来进行通信。本篇我们就来看看进程的这些交互方式。

一、进程对白：管道、套接字

　　人们最常用的通信手段就是对白，一方发出声音，另一方接收声音。而声音的传递需要通过一些介质，例如：空气（face to face）、线缆（有线电话）等。类似的，进程对白就是一个进程发出某种数据信息，另外一方接收数据信息，而这些数据信息通过一片共享的存储空间进行传递。

1.1 管道

　　一个进程向存储空间的一端写入信息，另一个进程存储空间的另外一端读取信息，这个就是管道。就像两个人对白的媒介是空气也可以是线缆一样，管道所占的空间既可以是内存也可以是磁盘。

　　要创建一个管道，一个进程只需要调用管道创建的系统调用即可，该系统调用所做的事情就是在某种存储介质上划出一片空间，赋给其中一个进程写的权利，另一个进程读的权利即可。

　　例如在Linux下，我们通过Shell命令输入两个命令，中间通过符号“|”来创建两个命令之间的管道：

$ sort < file1 | grep zou

　　上面一个命令表示：对file1的内容首先进行排序，排序完成后的结果将作为grep的输入，在结果里面找出所有包括字符串zou的文本行。也就是说，在两个任务“排序“（sort）和”查找”（grep）之间创建了一个管道，数据从sort流向了grep。

1.2 套接字

　　套接字（Socket）的功能非常强大，可以支持不同层面、不同应用、跨网络的通信。使用套接字进行通信需要双方均创建一个套接字，其中一方作为服务器方，另外一方作为客户方。服务器方必须首先创建一个服务区套接字，然后在该套接字上进行监听，等待远方的连接请求。客户方也要创建一个套接字，然后向服务器方发送连接请求。服务器套接字在受到连接请求之后，将在服务器方机器上新建一个客户套接字，与远方的客户方套接字形成点到点的通信通道。之后，客户方和服务器方便可以直接通过类似于send和recv的命令在这个创建的套接字管道上进行交流了。

　　例如，在C#中我们可以轻松地创建一个服务器方的Socket：

// 创建Socket->绑定IP与端口->设置监听队列的长度->开启监听连接 socketWatch = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp); socketWatch.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(txtIPAddress.Text), int.Parse(txtPort.Text))); socketWatch.Listen(10);

1.3 不足之处

　　（1）必须首先在通信的进程间建立连接（管道或套接字），这需要消耗系统资源；

　　（2）通信是自愿的，而管道和套接字需要强制双方进行通信；

　　（3）由于建立连接需要消耗时间，一旦建立就应该尽可能多的通信，如果通信信息量很小，则就是“杀鸡用牛刀”了；

二、进程电报与旗语：信号与信号量 2.1 电报：信号

　　信号类似于我们生活中的电报，如果你想给某人发一封电报，就拟好电文，然后将报文和收报人的信息都交给电报公司。电报公司则将电报发送到收报人所在地的邮局，并通知收报人来取电报。其中，发报文时无需收报人实现知道，也无需进行任何协调。如果对方选择不对信号做出响应，则将被OS终止运行。

　　在计算机中，信号就是一个内核对象或者是一个内核数据结构。发送方将该数据结构的内容填好，并指明该信号的目标进程后，发出特定的软件中断（这就是一个发电报的操作）。OS接收到特定的中断请求后，知道是有进程要发送信号，于是到特定的内核数据结构里查找信号接收方，并进行通知。接到通知的进程则对信号进行相应处理。

2.2 旗语：信号量

　　信号量来源于铁路的运行：在一条单轨铁路上，任何时候只允许有一列火车行驶在该铁路上，而管理这条铁路的系统就是信号量。任何一列火车必须等到表明该铁路可以行驶的信号后才能进入轨道。当列车进入后，需要将信号改为禁止状态进入来防止别的列车同时进入。而当列车驶出单轨后，则需要将信号变回允许进入状态，这很像以前的旗语。当然，通过联想到我们实际开发中经常用的锁，这就更容易理解了。

　　在计算机中，信号量实际上就是一个简单整数。一个进程在信号变为0或1的情况下推进，并将信号变为1或0来防止别的进程同时推进。当该进程完成任务后，则将信号再改为0或1，从而允许其他进程执行。从而我们也可以看出，信号量已经不只是一种通信机制，更是一种同步机制。

三、进程拥抱：共享内存

　　前面通过对话、发电报、旗语已经满足了多种通信需要，但是当两个进程要共享大量数据时就没法十分满足需求。就如同两个坠入爱河的骚年，它们互相喜欢并想要在一起同居（共享大量数据），这时打电话、发电报、握手对话就显得不够了。这时候，它们需要的就是拥抱，只有紧紧拥抱才能尽可能地共享，feeling so good!

3.1 共享内存

　　进程的拥抱就是共享内存，两个进程共同拥有同一片内存。对于这片内存中的任何内容，二者均可以访问。要使用共享内存进行通信，进程A首先需要创建一片内存空间作为通信用，而其他进程B则将片内存映射到自己的（虚拟）地址空间。这样，进程A读写自己地址空间中对应共享内存的区域时，就是在和进程B进行通信。

3.2 不足之处

　　（1）使用共享内存机制通信的两个进程必须在同一台物理机上；

　　（2）安全性脆弱，假如一个进程有病毒，会很容易传给另外一个进程；

四、信件发送：消息队列

　　消息队列是一列具有头和尾的消息排列，新来的消息放在队列尾部，而读取消息则从队列头部开始，如下图所示：

　　这样看来，它和管道十分类似，一头读，一头写？的确，看起来很像管道，但又不是管道：

　　（1）消息队列无固定的读写进程，任何进程都可以读写；而管道需要指定谁读和谁写；

　　（2）消息队列可以同时支持多个进程，多个进程可以读写消息队列；即所谓的多对多，而管道是点对点；

　　（3）消息队列只在内存中实现，而管道还可以在磁盘上实现；

参考资料

邹恒明，《操作系统之哲学原理》，机械工业出版社

 

作者：周旭龙

出处：

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