一、信號(hào) Signal

• 信號(hào)是 Linux 系統(tǒng)響應(yīng)某些條件而產(chǎn)生的一個(gè)事件，由操作系統(tǒng)事先定義，接收到該信號(hào)的進(jìn)程可以采取自定義的行為，這是一種“訂閱-發(fā)布”的模式。
• 信號(hào)來(lái)源分為硬件來(lái)源和軟件來(lái)源：
• • 硬件來(lái)源：如按下 CTRL+C、除 0、非法內(nèi)存訪問(wèn)等；
• • 軟件來(lái)源：如 Kill 命令、Alarm Clock 超時(shí)，當(dāng) Reader 中止之后又向管道寫數(shù)據(jù)等。
• 如下所示，Linux 系統(tǒng)上支持的 30 種不同類型的信號(hào)：

• 一般的信號(hào)是都是由一個(gè)錯(cuò)誤產(chǎn)生的。以除 0 為例，在 x86 機(jī)器上 DIV 或 IDIV 指令除數(shù)為 0 時(shí)，會(huì)引發(fā) 0 號(hào)中斷，編號(hào) #DE(Divide Error)，即所謂除零異常。這是一個(gè)硬件級(jí)中斷，會(huì)導(dǎo)致陷入內(nèi)核，執(zhí)行操作系統(tǒng)預(yù)定義在 IDT 中的中斷處理程序，而操作系統(tǒng)處理這個(gè)異常的方法，就是向進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào) SIGFPE。如果進(jìn)程設(shè)置相應(yīng)的 signal handler，就執(zhí)行進(jìn)程的處理方法。否則，執(zhí)行操作系統(tǒng)的默認(rèn)操作，一般這種信號(hào)的默認(rèn)操作是殺死進(jìn)程。
• 同理，溢出、非法內(nèi)存訪問(wèn)（越界）、非法指令等也都屬于硬件中斷，由操作系統(tǒng)處理。操作系統(tǒng)會(huì)將這些硬件異常包裝成“信號(hào)”發(fā)送給進(jìn)程。如果進(jìn)程不處理這幾個(gè)異常信號(hào)，那么默認(rèn)的行為就是掛掉。
• 但是，信號(hào)也可以作為進(jìn)程間通信的一種方式，明確地由一個(gè)進(jìn)程發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程。
• 進(jìn)程如何發(fā)送信號(hào)？
• • 操作系統(tǒng)提供發(fā)送信號(hào)的系統(tǒng)調(diào)用；
• • 該系統(tǒng)調(diào)用會(huì)將信號(hào)放到目標(biāo)進(jìn)程的信號(hào)隊(duì)列中；
• • 如果目標(biāo)進(jìn)程未處于執(zhí)行狀態(tài)，則該信號(hào)就由內(nèi)核保存起來(lái)，直到該進(jìn)程恢復(fù)執(zhí)行并傳遞給它為止；
• • 如果一個(gè)信號(hào)被進(jìn)程設(shè)置為阻塞，則該信號(hào)的傳遞被延遲，直到其阻塞被取消時(shí)才被傳遞給進(jìn)程。
• 進(jìn)程如何接收信號(hào)？
• • 每個(gè)進(jìn)程有一個(gè)信號(hào)隊(duì)列，放其它進(jìn)程發(fā)給它、等待它處理的信號(hào)；
• • 進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中的特定時(shí)刻，檢查并處理自己的信號(hào)隊(duì)列，如從系統(tǒng)空間返回到用戶空間之前；
• • 發(fā)送信號(hào)時(shí)，必須指明發(fā)送目標(biāo)進(jìn)程的號(hào)碼。一般用在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間。
• 用戶進(jìn)程對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程有三種：
• • 處理信號(hào)：定義信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)；
• • 忽略信號(hào)：當(dāng)不希望接收到的信號(hào)對(duì)進(jìn)程的執(zhí)行產(chǎn)生影響，而讓進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，可以忽略該信號(hào)，即不對(duì)信號(hào)進(jìn)程作任何處理；
• • 不處理也不忽略：執(zhí)行默認(rèn)操作，linux 對(duì)每種信號(hào)都規(guī)定了默認(rèn)操作；
• 有的信號(hào)，用戶進(jìn)程是無(wú)法處理也無(wú)法忽略的，比如 SIGSTOP、SIGKILL 等。信號(hào)處理程序是一個(gè)用戶層函數(shù)，進(jìn)程可以為某個(gè)信號(hào)指定一個(gè)信號(hào)處理程序，接收到信號(hào)后，進(jìn)程會(huì)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行信號(hào)處理程序，執(zhí)行完成后再返回到中斷位置的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行：

二、管道 Pipe

• 管道命令，在 Linux Shell 中經(jīng)常使用，一般使用管道操作符 | 來(lái)表示兩個(gè)命令之間的數(shù)據(jù)通信。比如：

ps -ef | grep java | xargs echo

• 管道操作符的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)其實(shí)就是 Linux 的管道接口，由管道操作符 | 分割的每個(gè)命令是獨(dú)立的進(jìn)程，各個(gè)進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸出 STDOUT，會(huì)作為下一個(gè)進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入 STDIN。

① 定義

• 管道是一種半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動(dòng)，上游進(jìn)程往管道中寫入數(shù)據(jù)，下游進(jìn)程從管道中接收數(shù)據(jù)。如果想實(shí)現(xiàn)雙方通信，那么需要建立兩個(gè)管道。
• 管道適合于傳輸大量信息。管道發(fā)送的內(nèi)容是以字節(jié)為單位的，沒(méi)有格式的字節(jié)流。

② 創(chuàng)建管道

• 通過(guò) pipe() 系統(tǒng)調(diào)用來(lái)創(chuàng)建并打開(kāi)一個(gè)管道，當(dāng)最后一個(gè)使用它的進(jìn)程關(guān)閉對(duì)他的引用時(shí)，pipe 將自動(dòng)撤銷。
• 通過(guò) pipe() 創(chuàng)建的是匿名管道，只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間（父子進(jìn)程或兄弟進(jìn)程）。

③ 管道的實(shí)現(xiàn)

• 管道就是一個(gè)文件，是一種只存在于內(nèi)存中的特殊的文件系統(tǒng)。
• 在 Linux 中，管道借助文件系統(tǒng)的 File 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，父進(jìn)程使用 File 結(jié)構(gòu)保存向管道寫入數(shù)據(jù)的例程地址，子進(jìn)程保存從管道讀出數(shù)據(jù)的例程地址，這解釋了上文所說(shuō)的：
• • 單向流動(dòng)；
• • 只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間。
• 管道是由內(nèi)核管理的一個(gè)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)被設(shè)計(jì)成為環(huán)形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便管道可以被循環(huán)利用（循環(huán)隊(duì)列）。

④ 管道的同步

• 管道是一個(gè)具有特定大小的緩沖區(qū)：
• • 操作系統(tǒng)會(huì)保證讀寫進(jìn)程的同步；
• • 下游進(jìn)程或者上游進(jìn)程需要等另一方釋放鎖后才能操作管道，管道就相當(dāng)于一個(gè)文件，同一時(shí)刻只能有一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)；
• • 當(dāng)管道為空時(shí)，下游進(jìn)程讀阻塞；當(dāng)管道滿時(shí)，上游進(jìn)程寫阻塞；
• • 管道不再被任何進(jìn)程使用時(shí)，自動(dòng)消失。

三、命名管道 FIFO

• Linux 管道包含匿名管道和命名管道，上文的匿名管道，只能用在親緣進(jìn)程中，管道文件信息保存在內(nèi)存里。
• 命名管道（FIFO）可用于沒(méi)有親緣的進(jìn)程間，Pipe 和 FIFO 除了建立、打開(kāi)、刪除的方式不同外，二者幾乎一模一樣。
• 通過(guò) mknode() 系統(tǒng)調(diào)用或者 mkfifo() 函數(shù)建立命名管道，一旦建立，任何有訪問(wèn)權(quán)的進(jìn)程都可以通過(guò)文件名將其打開(kāi)和進(jìn)行讀寫，而不局限于父子進(jìn)程。
• 建立命名管道時(shí)，會(huì)在磁盤中創(chuàng)建一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)，命名管道的名字就相當(dāng)于索引節(jié)點(diǎn)的文件名。索引節(jié)點(diǎn)設(shè)置了進(jìn)程的訪問(wèn)權(quán)限，但是沒(méi)有數(shù)據(jù)塊。
• 命名管道實(shí)質(zhì)上也是通過(guò)內(nèi)核緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，有訪問(wèn)權(quán)限的進(jìn)程，可以通過(guò)磁盤的索引節(jié)點(diǎn)來(lái)讀寫這塊緩沖區(qū)。
• 當(dāng)不再被任何進(jìn)程使用時(shí)，命名管道在內(nèi)存中釋放，但磁盤節(jié)點(diǎn)仍然存在。

四、信號(hào)量 Semaphore

• 信號(hào)量是一種特殊的變量，對(duì)它的操作都是原子的，有兩種操作：V（signal()）和 P（wait()）。
• V 操作會(huì)增加信號(hào)量 S 的數(shù)值，P 操作會(huì)減少它：
• • V(S)：如果有其他進(jìn)程因等待 S 而被掛起，就讓它恢復(fù)運(yùn)行，否則 S 加 1；
• • P(S)：如果 S 為 0，則掛起進(jìn)程，否則 S 減 1；
• • P、V 來(lái)自于荷蘭語(yǔ)：Probeer (try)、Verhoog (increment)。
• 如果信號(hào)量是一個(gè)任意的整數(shù)，通常被稱為計(jì)數(shù)信號(hào)量（Counting semaphore），或一般信號(hào)量（general semaphore）；如果信號(hào)量只有二進(jìn)制的 0 或 1，稱為二進(jìn)制信號(hào)量（binary semaphore）。在 Linux 系統(tǒng)中，二進(jìn)制信號(hào)量又稱互斥鎖（Mutex），信號(hào)量可以用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程或線程的互斥和同步。
• 信號(hào)量在底層的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)硬件提供的原子指令，如 Test And Set、Compare And Swap 等。比如 golang 實(shí)現(xiàn)互斥量就是使用了 Compare And Swap 指令（go）。

五、共享內(nèi)存 Shared Memory

• 共享內(nèi)存顧名思義，允許兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程共享同一段物理內(nèi)存，不同進(jìn)程可以將同一段共享內(nèi)存映射到自己的地址空間，然后像訪問(wèn)正常內(nèi)存一樣訪問(wèn)它，不同進(jìn)程可以通過(guò)向共享內(nèi)存端讀寫數(shù)據(jù)來(lái)交換信息。
• 一個(gè)進(jìn)程可以通過(guò)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用，創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存區(qū)；其他進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用把這段內(nèi)存映射到自己的用戶地址空間中；之后各個(gè)進(jìn)程向讀寫正常內(nèi)存一樣，讀寫共享內(nèi)存。共享內(nèi)存區(qū)只會(huì)駐留在創(chuàng)建它的進(jìn)程地址空間內(nèi)。
• 共享內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單且高效，訪問(wèn)共享內(nèi)存區(qū)域和訪問(wèn)進(jìn)程獨(dú)有的內(nèi)存區(qū)域一樣快，原因是不需要系統(tǒng)調(diào)用，不涉及用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換，也不需要對(duì)數(shù)據(jù)不必要的復(fù)制。
• 比如管道和消息隊(duì)列，需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次的數(shù)據(jù)拷貝（讀輸入文件、寫到管道；讀管道、寫到輸出文件），而共享內(nèi)存則只拷貝兩次：一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)，另一次從共享內(nèi)存到輸出文件。

• 此外，消息傳遞的實(shí)現(xiàn)經(jīng)常采用系統(tǒng)調(diào)用，也就經(jīng)常需要用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)互相轉(zhuǎn)換；而共享內(nèi)存只在建立共享內(nèi)存區(qū)域時(shí)需要系統(tǒng)調(diào)用；一旦建立共享內(nèi)存，所有訪問(wèn)都可作為常規(guī)內(nèi)存訪問(wèn)，無(wú)需借助內(nèi)核。
• 共享內(nèi)存的缺點(diǎn)是存在并發(fā)問(wèn)題，有可能出現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程修改同一塊內(nèi)存，因此共享內(nèi)存一般與信號(hào)量結(jié)合使用。
• Linux 的 2.2.x 內(nèi)核支持多種共享內(nèi)存方式，如 mmap() 系統(tǒng)調(diào)用，Posix 共享內(nèi)存，以及系統(tǒng) V 共享內(nèi)存；
• • mmap() 系統(tǒng)調(diào)用的主要作用是將普通文件映射到進(jìn)程的地址空間，然后可以像訪問(wèn)普通內(nèi)存一樣對(duì)文件進(jìn)行訪問(wèn)，不必再調(diào)用 read()，write() 等操作；mmap() 不是專門用來(lái)共享內(nèi)存的，但是多個(gè)進(jìn)程可以通過(guò) mmap() 映射同一個(gè)普通文件，來(lái)實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。

• • 系統(tǒng) V 則是通過(guò)映射特殊文件系統(tǒng) shm 中的文件實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的共享內(nèi)存，通過(guò) shmget 可以創(chuàng)建或獲得共享內(nèi)存的標(biāo)識(shí)符，取得共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符后，通過(guò) shmat 將這個(gè)內(nèi)存區(qū)映射到本進(jìn)程的虛擬地址空間。
• 有關(guān) mmap() 系統(tǒng)調(diào)用、系統(tǒng) V 共享內(nèi)存的詳細(xì)介紹，以及兩者的對(duì)比，可以參考：
• • Linux環(huán)境進(jìn)程間通信 - 共享內(nèi)存（上）；
• • Linux環(huán)境進(jìn)程間通信 - 共享內(nèi)存（下）。

六、消息隊(duì)列 Message Queue

• 消息隊(duì)列是一個(gè)消息的鏈表，保存在內(nèi)核中。消息隊(duì)列中的每個(gè)消息都是一個(gè)數(shù)據(jù)塊，具有特定的格式。操作系統(tǒng)中可以存在多個(gè)消息隊(duì)列，每個(gè)消息隊(duì)列有唯一的 key，稱為消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符。
• 消息隊(duì)列克服了信號(hào)傳遞信息少、管道只能承載無(wú)格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。和信號(hào)相比，消息隊(duì)列能夠傳遞更多的信息。與管道相比，消息隊(duì)列提供了有格式的數(shù)據(jù)，但消息隊(duì)列仍然有大小限制。
• 消息隊(duì)列允許一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程向它寫入與讀取消息。消息的發(fā)送者和接收者不需要同時(shí)與消息隊(duì)列交互。消息會(huì)保存在隊(duì)列中，直到接收者取回它。也就是說(shuō)，消息隊(duì)列是異步的，但這也造成了一個(gè)缺點(diǎn)，就是接收者必須輪詢消息隊(duì)列，才能收到最近的消息。
• 操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建消息隊(duì)列、取消息、發(fā)消息等系統(tǒng)調(diào)用。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)讀寫同步：若消息隊(duì)列已滿，則寫消息進(jìn)程排隊(duì)等待；若取消息進(jìn)程沒(méi)有找到需要的消息，則在等待隊(duì)列中尋找。
• 消息隊(duì)列和管道相比，相同點(diǎn)在于二者都是通過(guò)發(fā)送-接收的方式進(jìn)行通信，并且數(shù)據(jù)都有最大長(zhǎng)度限制。不同點(diǎn)在于消息隊(duì)列的數(shù)據(jù)是有格式的，并且取消息進(jìn)程可以選擇接收特定類型的消息，而不是像管道中那樣默認(rèn)全部接收。

七、套接字 Socket

• 不同的計(jì)算機(jī)的進(jìn)程之間通過(guò) socket 通信，也可用于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的不同進(jìn)程。
• 需要通信的進(jìn)程之間首先要各自創(chuàng)建一個(gè) socket，內(nèi)容包括主機(jī)地址與端口號(hào)，聲明自己接收來(lái)自某端口地址的數(shù)據(jù)。
• 進(jìn)程通過(guò) socket 把消息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層中，網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)主機(jī)地址將其發(fā)到目的主機(jī)，目的主機(jī)通過(guò)端口號(hào)發(fā)給對(duì)應(yīng)進(jìn)程。
• 操作系統(tǒng)提供創(chuàng)建 socket、發(fā)送、接收的系統(tǒng)調(diào)用，為每個(gè) socket 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)。

八、總結(jié)

方式傳輸?shù)男畔⒘渴褂脠?chǎng)景關(guān)鍵詞

信號(hào)	少量	任何	硬件來(lái)源、軟件來(lái)源 / 信號(hào)隊(duì)列
管道	大量	親緣進(jìn)程間	單向流動(dòng) / 內(nèi)核緩沖區(qū) / 循環(huán)隊(duì)列 / 沒(méi)有格式的字節(jié)流 / 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)同步
命名管道	大量	任何	磁盤文件 / 訪問(wèn)權(quán)限 / 無(wú)數(shù)據(jù)塊 / 內(nèi)核緩沖區(qū) / 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)同步
信號(hào)量	N	任何	互斥同步 / 原子性 / P 減 V 增
共享內(nèi)存	大量	多個(gè)進(jìn)程	內(nèi)存映射 / 簡(jiǎn)單快速 / 操作系統(tǒng)不保證同步
消息隊(duì)列	比信號(hào)多，但有限制	任何	有格式 / 按消息類型過(guò)濾 / 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)同步
套接字	大量	不同主機(jī)的進(jìn)程	讀緩存區(qū) / 寫緩沖區(qū) / 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)同步

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【网络通信与信息安全】之深入解析进程之间的通信方式的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。