操作系统基础(进程间通信)

一.进程间通信的实现

进程间通信 (Inter-process communication, IPC):
运行在不同进程中的若干线程间的数据交换

1 常用的进程通信模式

1.1 共享内存

两个进程可以直接共享访问同一块内存区域,减少了数据的复制操作,速度优势比较明显。


共享内存

一般步骤如下:

  1. 创建内存共享区,进程1通过系统提供的API从内存中申请一块共享区域,例如Linux中使用shmget进行实现,生成的共享内存块与某个特定key值绑定。
  2. 进程1通过shmat函数将共享内存映射到进程1的空间中。
  3. 访问内存共享区,进程2同样调用shmget函数,并将相同的key值传入即可。然后进程2执行shmat,将内存映射到它的空间中。
  4. 进程间通信,共享内存在各个进程间实现映射之后,便可以作为信息交换的区域。进程间需要自己协商同步机制,防止信息错乱。
  5. 撤销内存映射区,进程间通信完成后,各进程都要撤销之前的映射操作,Linux中通过shmdt函数实现。
  6. 删除内存共享区,以便回收内存。Linxu中通过shctl实现。

1.2 管道(pipe)

管道也是操作系统中常用的进程间通信方式,适用于所有的POSIX系统以及Windows系列产品

Pipe很形象地形容了通信双方的行为:进程A与进程B:

  • 分别在管道的两边,进行数据传输通信
  • 管道是单向的,如果一个进程既要“读”又要“写” 的话,则需要建立两根管道。
  • 一根管道的两端分别是“读取端 read end”和“写入端 write end”;进程1从写入端写进数据,进程2从读取端读取到数据。
  • 管道有容量限制,pipe满时,写操作将阻塞,反之,读操作也会阻塞。
Linux pipe示例

上图是父进程向管道中输入一个“H”字符,子进程读取后输出

  • pipe接口的函数原型:int pipe (int pipefd[2], int flags); //第一个参数代表成功打开后管道的两端
  • 此例中的管道文件描述符pipe_fd,因为是父子进程的关系可以共享,如果两个进程中没有任何关系,则无法使用这种方式进行共享(Named Pipe (也被成为FIFO) 作为pipe的扩展可以解决这种问题,它改变了上例中“匿名”的方式;由于它的生命周期不再随着进程结束而结束,因此我们在不使用的时候要主动删除)

1.3 Unix Domain Socket

UDS 是专门针对单机内进程间通信提出的,也被称为IPC Socket。

与Network Socket的区别:

  • Network Socket: 基于TCP/IP 协议,需要分包,重组等一系列操作
  • UDS: 本机内的“安全可靠操作”,不依赖这些协议


    UDS通信流程

1.4 RPC (Remote Procedure Calls)

RPC通信通常运行于两台不同的及其中。在RPC机制中,客户端和服务端的通信传输过程用户不需要关心,这种“透明性”可以大大降低研发难度。
RPC通信的过程:

  • 客户端进程调用Stub接口
  • Stub根据操作系统要求进行打包,并执行相应的系统调用
  • 由内核(RPC Runtime Library)来完成与服务端的交互
  • 服务端Stub解包并调用与数据包匹配的进程
  • 服务端进程执行操作
RPC通信图释
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