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1.3.进程通信
1.3.1.管道模式
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无名管道pipe：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。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
无名管道模式有一个很好的例子，Linux下有一个命令：
ps auxf | grep mysql上面命令行里的竖线就是一个管道，它的功能是将前一个命令 ps auxf 的输出，作为后一个命令 grep mysql 的输入，从这功能描述，可以看出管道传输数据是单向的，如果想相互通信，我们需要创建两个管道才行。同时，我们得知上面这种管道是没有名字，所以「
|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁。 -
命名管道FIFO：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
管道还有另外一个类型是命名管道，也被叫做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。在使用命名管道前，先需要通过
mkfifo命令来创建，并且指定管道名字：mkfifo myPipemyPipe 就是这个管道的名称，基于 Linux 一切皆文件的理念，所以管道也是以文件的方式存在，我们可以用 ls 看一下，这个文件的类型是 p，也就是 pipe (管道) 的意思，接下来，可以往 myPipe 这个管道写入数据：
echo "hello" > myPipe操作了后，会发现命令执行后就停在这了，这是因为管道里的内容没有被读取，只有当管道里的数据被读完后，命令才可以正常退出。执行另外一个命令来读取这个管道里的数据
cat < myPipe可以看到，管道里的内容被读取出来了，并打印在了终端上，另外一方面，echo 那个命令也正常退出了。管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。当然，它的好处，自然就是简单，同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。
所谓的管道，就是内核里面的一串缓存。从管道的一段写入的数据，实际上是缓存在内核中的，另一端读取，也就是从内核中读取这段数据。另外，管道传输的数据是无格式的流且大小受限。
管道只能一端写入，另一端读出，所以上面这种模式容易造成混乱，因为父进程和子进程都可以同时写入，也都可以读出。那么，为了避免这种情况，通常的做法是：
- 父进程关闭读取的 fd[0]，只保留写入的 fd[1]；
- 子进程关闭写入的 fd[1]，只保留读取的 fd[0]；
所以说如果需要双向通信，则应该创建两个管道。到这里，我们仅仅解析了使用管道进行父进程与子进程之间的通信，但是在我们 shell 里面并不是这样的。在 shell 里面执行
A | B命令的时候，A 进程和 B 进程都是 shell 创建出来的子进程，A 和 B 之间不存在父子关系，二者的父进程都是 shell。所以说，在 shell 里通过匿名管道将多个命令连接在一起，实际上也就是创建了多个子进程，那么在我们编写 shell 脚本时，能使用一个管道搞定的事情，就不要多用一个管道，这样可以减少创建子进程的系统开销。对于匿名管道，它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体，也就是没有管道文件，只能通过 fork 来复制父进程 fd 文件描述符，来达到通信的目的。另外，对于命名管道，它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命名管道，提前创建了一个类型为管道的设备文件，在进程里只要使用这个设备文件，就可以相互通信。
不管是匿名管道还是命名管道，进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取，同时通信数据都遵循先进先出原则，不支持 lseek 之类的文件定位操作。
1.3.2.消息队列
- 消息队列MessageQueue：管道的通信方式是效率低的，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。对于这个问题，消息队列的通信模式就可以解决。比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。消息队列是保存在内核中的消息链表，在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定大小的存储块，不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体，内核就会把这个消息体删除。
- 消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁。消息这种模型，两个进程之间的通信就像平时发邮件一样，你来一封，我回一封，可以频繁沟通了。但邮件的通信方式存在不足的地方有两点，一是通信不及时，二是附件也有大小限制，这同样也是消息队列通信不足的点，消息队列不适合比较大数据的传输，因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制，同时所有队列所包含的全部消息体的总长度也是有上限。在 Linux 内核中，会有两个宏定义
MSGMAX和MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。 - 消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。
1.3.3.共享内存
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共享存储SharedMemory：消息队列的读取和写入的过程，都会有发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。共享内存的方式，很好的解决了这一问题。
现代操作系统，对于内存管理，采用的是虚拟内存技术，也就是每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。所以，即使进程 A 和 进程 B 的虚拟地址是一样的，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度。
1.3.4.信号量
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信号量Semaphore：使用共享内存通信方式，带来新的问题，那就是如果多个进程同时修改同一个共享内存，很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写一个地址，那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了。为了防止多进程竞争共享资源，而造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻只能被一个进程访问。正好，信号量就实现了这一保护机制。信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。
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信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：
- 一个是 P 操作，这个操作会把信号量减去 -1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。
- 另一个是 V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；
P 操作是用在进入共享资源之前，V 操作是用在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的。接下来，举个例子，如果要使得两个进程互斥访问共享内存，我们可以初始化信号量为
1。
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具体的过程如下：
- 进程 A 在访问共享内存前，先执行了 P 操作，由于信号量的初始值为 1，故在进程 A 执行 P 操作后信号量变为 0，表示共享资源可用，于是进程 A 就可以访问共享内存。
- 若此时，进程 B 也想访问共享内存，执行了 P 操作，结果信号量变为了 -1，这就意味着临界资源已被占用，因此进程 B 被阻塞。
- 直到进程 A 访问完共享内存，才会执行 V 操作，使得信号量恢复为 0，接着就会唤醒阻塞中的线程 B，使得进程 B 可以访问共享内存，最后完成共享内存的访问后，执行 V 操作，使信号量恢复到初始值 1。
可以发现，信号初始化为
1，就代表着是互斥信号量，它可以保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问，这就很好的保护了共享内存。另外，在多进程里，每个进程并不一定是顺序执行的，它们基本是以各自独立的、不可预知的速度向前推进，但有时候我们又希望多个进程能密切合作，以实现一个共同的任务。
例如，进程 A 是负责生产数据，而进程 B 是负责读取数据，这两个进程是相互合作、相互依赖的，进程 A 必须先生产了数据，进程 B 才能读取到数据，所以执行是有前后顺序的。那么这时候，就可以用信号量来实现多进程同步的方式，我们可以初始化信号量为
0。
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具体过程：
- 如果进程 B 比进程 A 先执行了，那么执行到 P 操作时，由于信号量初始值为 0，故信号量会变为 -1，表示进程 A 还没生产数据，于是进程 B 就阻塞等待；
- 接着，当进程 A 生产完数据后，执行了 V 操作，就会使得信号量变为 0，于是就会唤醒阻塞在 P 操作的进程 B；
- 最后，进程 B 被唤醒后，意味着进程 A 已经生产了数据，于是进程 B 就可以正常读取数据了。
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可以发现，信号初始化为
0，就代表着是同步信号量，它可以保证进程 A 应在进程 B 之前执行。
1.3.5.信号
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信号Singal：上述所说的进程间通信，都是常规状态下的工作模式。对于异常情况下的工作模式，就需要用信号的方式来通知进程。信号跟信号量二者命名相似，但用途完全不一样，在 Linux 操作系统中， 为了响应各种各样的事件，提供了几十种信号，分别代表不同的意义。我们可以通过
kill -l命令，查看所有的信号，运行在 shell 终端的进程，我们可以通过键盘输入某些组合键的时候，给进程发送信号。例如- Ctrl+C 产生
SIGINT信号，表示终止该进程； - Ctrl+Z 产生
SIGTSTP信号，表示停止该进程，但还未结束；
- Ctrl+C 产生
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如果进程在后台运行，可以通过
kill命令的方式给进程发送信号，但前提需要知道运行中的进程 PID 号，例如：kill -9 1050 ，表示给 PID 为 1050 的进程发送SIGKILL信号，用来立即结束该进程；所以，信号事件的来源主要有硬件来源（如键盘 Cltr+C ）和软件来源（如 kill 命令）。 -
信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，因为可以在任何时候发送信号给某一进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式。
- 执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。Core 的意思是 Core Dump，也即终止进程后，通过 Core Dump 将当前进程的运行状态保存在文件里面，方便程序员事后进行分析问题在哪里。
- 捕捉信号。我们可以为信号定义一个信号处理函数。当信号发生时，我们就执行相应的信号处理函数。
- 忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即
SIGKILL和SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程。
1.3.6.套接字
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套接字Socket：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。前面提到的管道、消息队列、共享内存、信号量和信号都是在同一台主机上进行进程间通信，那要想跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了。
实际上，Socket 通信不仅可以跨网络与不同主机的进程间通信，还可以在同主机上进程间通信。创建socket的系统调用如下：
int socket(int domain, int type, int protocal);三个参数分别代表：
- domain 参数用来指定协议族，比如 AF_INET 用于 IPV4、AF_INET6 用于 IPV6、AF_LOCAL/AF_UNIX 用于本机；
- type 参数用来指定通信特性，比如 SOCK_STREAM 表示的是字节流，对应 TCP、SOCK_DGRAM 表示的是数据报，对应 UDP、SOCK_RAW 表示的是原始套接字；
- protocal 参数原本是用来指定通信协议的，但现在基本废弃。因为协议已经通过前面两个参数指定完成，protocol 目前一般写成 0 即可。
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根据创建 socket 类型的不同，通信的方式也就不同：
- 实现 TCP 字节流通信： socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM；
- 实现 UDP 数据报通信：socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM；
- 实现本地进程间通信：本地字节流 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM，本地数据报 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外，AF_UNIX 和 AF_LOCAL 是等价的，所以 AF_UNIX 也属于本地 socket。
