通信机制在linux

A. linux系统的进程间通信有哪几种方式

一、方式

1、管道（Pipe）及有名管道（ mkpipe）：

管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；

2、信号（Signal）：

信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身。

linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction。

实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数。

3、消息队列（Message）：

消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

4、共享内存：

使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

5、信号量（semaphore）：

主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。

6、套接口（Socket）：

更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

二、概念

进程间通信概念：

IPC—-InterProcess Communication

每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到所以进程之间要交换数据必须通过内核。

在内核中开辟一块缓冲区,进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信。

(1)通信机制在linux扩展阅读

1）无名管道:

管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。

管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，构成两进程间通信的一个媒介。

数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

2）有名管道：

不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信（能够访问该路径的进程以及FIFO的创建进程之间）。

因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。值得注意的是，FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

B. Linux进程间通信

linux下进程间通信的几种主要手段简介：

一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。

实例1：用于shell

管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。比如，当在某个shell程序（Bourne shell或C shell等）键入who│wc -l后，相应shell程序将创建who以及wc两个进程和这两个进程间的管道。

实例二：用于具有亲缘关系的进程间通信

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

有名管道的创建

小结：

管道常用于两个方面：（1）在shell中时常会用到管道（作为输入输入的重定向），在这种应用方式下，管道的创建对于用户来说是透明的；（2）用于具有亲缘关系的进程间通信，用户自己创建管道，并完成读写操作。

FIFO可以说是管道的推广，克服了管道无名字的限制，使得无亲缘关系的进程同样可以采用先进先出的通信机制进行通信。

管道和FIFO的数据是字节流，应用程序之间必须事先确定特定的传输"协议"，采用传播具有特定意义的消息。

要灵活应用管道及FIFO，理解它们的读写规则是关键。

信号生命周期

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，可以看作是异步通知，通知接收信号的进程有哪些事情发生了。信号机制经过POSIX实时扩展后，功能更加强大，除了基本通知功能外，还可以传递附加信息。

可以从两个不同的分类角度对信号进行分类：（1）可靠性方面：可靠信号与不可靠信号；（2）与时间的关系上：实时信号与非实时信号。

(1) 可靠信号与不可靠信号

不可靠信号 ：Linux下的不可靠信号问题主要指的是信号可能丢失。

可靠信号 ：信号值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之间的信号都是可靠信号，可靠信号克服了信号可能丢失的问题。Linux在支持新版本的信号安装函数sigation（）以及信号发送函数sigqueue()的同时，仍然支持早期的signal（）信号安装函数，支持信号发送函数kill()。

对于目前linux的两个信号安装函数:signal()及sigaction()来说，它们都不能把SIGRTMIN以前的信号变成可靠信号（都不支持排队，仍有可能丢失，仍然是不可靠信号），而且对SIGRTMIN以后的信号都支持排队。这两个函数的最大区别在于，经过sigaction安装的信号都能传递信息给信号处理函数（对所有信号这一点都成立），而经过signal安装的信号却不能向信号处理函数传递信息。对于信号发送函数来说也是一样的。

(2) 实时信号与非实时信号

前32种信号已经有了预定义值，每个信号有了确定的用途及含义，并且每种信号都有各自的缺省动作。如按键盘的CTRL ^C时，会产生SIGINT信号，对该信号的默认反应就是进程终止。后32个信号表示实时信号，等同于前面阐述的可靠信号。这保证了发送的多个实时信号都被接收。实时信号是POSIX标准的一部分，可用于应用进程。非实时信号都不支持排队，都是不可靠信号；实时信号都支持排队，都是可靠信号。

发送信号的主要函数有：kill()、raise()、 sigqueue()、alarm()、setitimer()以及abort()。

调用成功返回 0；否则，返回 -1。

sigqueue()是比较新的发送信号系统调用，主要是针对实时信号提出的（当然也支持前32种），支持信号带有参数，与函数sigaction()配合使用。

sigqueue的第一个参数是指定接收信号的进程ID，第二个参数确定即将发送的信号，第三个参数是一个联合数据结构union sigval，指定了信号传递的参数，即通常所说的4字节值。

sigqueue()比kill()传递了更多的附加信息，但sigqueue()只能向一个进程发送信号。sigqueue()比kill()传递了更多的附加信息，但sigqueue()只能向一个进程发送信号。

inux主要有两个函数实现信号的安装： signal() 、 sigaction() 。其中signal()在可靠信号系统调用的基础上实现, 是库函数。它只有两个参数，不支持信号传递信息，主要是用于前32种非实时信号的安装；而sigaction()是较新的函数（由两个系统调用实现：sys_signal以及sys_rt_sigaction），有三个参数，支持信号传递信息，主要用来与 sigqueue() 系统调用配合使用，当然，sigaction()同样支持非实时信号的安装。sigaction()优于signal()主要体现在支持信号带有参数。

消息队列就是一个消息的链表。可以把消息看作一个记录，具有特定的格式以及特定的优先级。对消息队列有写权限的进程可以向中按照一定的规则添加新消息；对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中读走消息。消息队列是随内核持续的

消息队列的内核持续性要求每个消息队列都在系统范围内对应唯一的键值，所以，要获得一个消息队列的描述字，只需提供该消息队列的键值即可；

消息队列与管道以及有名管道相比，具有更大的灵活性，首先，它提供有格式字节流，有利于减少开发人员的工作量；其次，消息具有类型，在实际应用中，可作为优先级使用。这两点是管道以及有名管道所不能比的。同样，消息队列可以在几个进程间复用，而不管这几个进程是否具有亲缘关系，这一点与有名管道很相似；但消息队列是随内核持续的，与有名管道（随进程持续）相比，生命力更强，应用空间更大。

信号灯与其他进程间通信方式不大相同，它主要提供对进程间共享资源访问控制机制。相当于内存中的标志，进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源，同时，进程也可以修改该标志。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。信号灯有以下两种类型：

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops); semid是信号灯集ID，sops指向数组的每一个sembuf结构都刻画一个在特定信号灯上的操作。

int semctl(int semid，int semnum，int cmd，union semun arg)
该系统调用实现对信号灯的各种控制操作，参数semid指定信号灯集，参数cmd指定具体的操作类型；参数semnum指定对哪个信号灯操作，只对几个特殊的cmd操作有意义；arg用于设置或返回信号灯信息。

进程间需要共享的数据被放在一个叫做IPC共享内存区域的地方，所有需要访问该共享区域的进程都要把该共享区域映射到本进程的地址空间中去。系统V共享内存通过shmget获得或创建一个IPC共享内存区域，并返回相应的标识符。内核在保证shmget获得或创建一个共享内存区，初始化该共享内存区相应的shmid_kernel结构注同时，还将在特殊文件系统shm中，创建并打开一个同名文件，并在内存中建立起该文件的相应dentry及inode结构，新打开的文件不属于任何一个进程（任何进程都可以访问该共享内存区）。所有这一切都是系统调用shmget完成的。

shmget（）用来获得共享内存区域的ID，如果不存在指定的共享区域就创建相应的区域。shmat()把共享内存区域映射到调用进程的地址空间中去，这样，进程就可以方便地对共享区域进行访问操作。shmdt()调用用来解除进程对共享内存区域的映射。shmctl实现对共享内存区域的控制操作。这里我们不对这些系统调用作具体的介绍，读者可参考相应的手册页面，后面的范例中将给出它们的调用方法。

注：shmget的内部实现包含了许多重要的系统V共享内存机制；shmat在把共享内存区域映射到进程空间时，并不真正改变进程的页表。当进程第一次访问内存映射区域访问时，会因为没有物理页表的分配而导致一个缺页异常，然后内核再根据相应的存储管理机制为共享内存映射区域分配相应的页表。

C. linux系统上信号发送和信号接收讲解

用于进程间通信，通信机制由操作系统保证，比较稳定。

在linux中可以通过kill -l查看所有信号的类型。

kill -信号类型 进程ID

int kill(pid_t pid, int sig);
入参pid :
pid > 0: 发送信号给指定的进程。
pid = 0: 发送信号给 与调用kill函数进程属于同一进程组的所有进程。
pid < 0: 取|pid|发给对应进程组。
pid = -1：发送给进程有权限发送的系统中所有进程。
sig ：信号类型。
返回值 ：成功：0；失败：-1 (ID非法，信号非法，普通用户杀init进程等权级问题)，设置errno
以OpenHarmony源码为例，应用ANR后，AbilityManagerService会通知应用mp堆栈信息，就是通过信号量做的。

头文件位置 :
include <signal.h>
函数解释 :
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
当接收到指定的信号signum时，就会跳转到参数handler指定的函数执行。其中handler的入参是信号值。

函数原型 ：

signum参数指出要捕获的信号类型，act参数指定新的信号处理方式，oldact参数输出先前信号的处理方式（如果不为NULL的话）。
sigaction结构体

sa_handler 信号处理函数
sa_mask 在处理该信号时可以暂时将sa_mask 指定的信号集搁置
sa_flags 指定一组修改信号行为的标志。 它由以下零个或多个的按位或组成
   SA_RESETHAND：当调用信号处理函数时，将信号的处理函数重置为缺省值SIG_DFL
   SA_RESTART：如果信号中断了进程的某个系统调用，则系统自动启动该系统调用
   SA_NODEFER ：一般情况下， 当信号处理函数运行时，内核将阻塞该给定信号。但是如果设置了 SA_NODEFER标记， 那么在该信号处理函数运行时，内核将不会阻塞该信号
sa_restorer 是一个替代的信号处理程序，当设置SA_SIGINFO时才会用它。
相关函数
int sigemptyset( sigset_t *set);
sigemptyset()用来将参数set信号集初始化并清空。
执行成功则返回0，如果有错误则返回-1。
完整示例

D. Linux的几种进程间通信方法简介

管道（pipe） 管道是Linux支持的最初IPC方式，管道可分为无名管道，有名管道等。 （一）无名管道，它具有几个特点： 1） 管道是半双工的，只能支持数据的单向流动；两进程间需要通信时需要建立起两个管道； 2） 无名管道使用pipe（）函数创建，只能用于父子进程或者兄弟进程之间； 3） 管道对于通信的两端进程而言，实质上是一种独立的文件，只存在于内存中； 4） 数据的读写操作：一个进程向管道中写数据，所写的数据添加在管道缓冲区的尾部；另一个进程在管道中缓冲区的头部读数据。 （二）有名管道 有名管道也是半双工的，不过它允许没有亲缘关系的进程间进行通信。具体点说就是，有名管道提供了一个路径名与之进行关联，以FIFO（先进先出）的形式存在于文件系统中。这样即使是不相干的进程也可以通过FIFO相互通信，只要他们能访问已经提供的路径。 值得注意的是，只有在管道有读端时，往管道中写数据才有意义。否则，向管道写数据的进程会接收到内核发出来的SIGPIPE信号；应用程序可以自定义该信号处理函数，或者直接忽略该信号。 二。信号量（semophore） 信号量是一种计数器，可以控制进程间多个线程或者多个进程对资源的同步访问，它常实现为一种锁机制。实质上，信号量是一个被保护的变量，并且只能通过初始化和两个标准的原子操作（P/V）来访问。（P,V操作也常称为wait（s），signal（s）） 三。信号（Signal） 信号是Unix系统中使用的最古老的进程间通信的方法之一。操作系统通过信号来通知某一进程发生了某一种预定好的事件；接收到信号的进程可以选择不同的方式处理该信号，一是可以采用默认处理机制-进程中断或退出，一是忽略该信号，还有就是自定义该信号的处理函数，执行相应的动作。 内核为进程生产信号，来响应不同的事件，这些事件就是信号源。信号源可以是：异常，其他进程，终端的中断（Ctrl-C,Ctrl+\等），作业的控制（前台，后台进程的管理等），分配额问题（cpu超时或文件过大等），内核通知（例如I/O就绪等），报警（计时器）。 四。消息队列（Message Queue） 消息队列就是消息的一个链表，它允许一个或者多个进程向它写消息，一个或多个进程向它读消息。Linux维护了一个消息队列向量表：msgque,来表示系统中所有的消息队列。 消息队列克服了信号传递信息少，管道只能支持无格式字节流和缓冲区受限的缺点。 五。共享内存（shared memory） 共享内存映射为一段可以被其他进程访问的内存。该共享内存由一个进程所创建，然后其他进程可以挂载到该共享内存中。共享内存是最快的IPC机制，但由于linux本身不能实现对其同步控制，需要用户程序进行并发访问控制，因此它一般结合了其他通信机制实现了进程间的通信，例如信号量。 五。套接字（socket） socket也是一种进程间的通信机制，不过它与其他通信方式主要的区别是：它可以实现不同主机间的进程通信。

E. 进程间通信方式

在操作系统中，一个进程可以理解为是关于计算机资源集合的一次运行活动，其就是一个正在执行的程序的实例。从概念上来说，一个进程拥有它自己的虚拟CPU和虚拟地址空间，任何一个进程对于彼此而言都是相互独立的，这也引入了一个问题 —— 如何让进程之间互相通信？

由于进程之间是互相独立的，没有任何手段直接通信，因此我们需要借助操作系统来辅助它们。举个通俗的例子，假如A与B之间是独立的，不能彼此联系，如果它们想要通信的话可以借助第三方C，比如A将信息交给C，C再将信息转交给B —— 这就是进程间通信的主要思想 —— 共享资源。

这里要解决的一个重要的问题就是如何避免竞争，即避免多个进程同时访问临界区的资源。

共享内存是进程间通信中最简单的方式之一。共享内存允许两个或更多进程访问同一块内存。当一个进程改变了这块地址中的内容的时候，其它进程都会察觉到这个更改。

你可能会想到，我直接创建一个文件，然后进程不就都可以访问了？

是的，但这个方法有几个缺陷：

Linux下采用共享内存的方式来使进程完成对共享资源的访问，它将磁盘文件复制到内存，并创建虚拟地址到该内存的映射，就好像该资源本来就在进程空间之中，此后我们就可以像操作本地变量一样去操作它们了，实际的写入磁盘将由系统选择最佳方式完成，例如操作系统可能会批量处理加排序，从而大大提高IO速度。

如同上图一样，进程将共享内存映射到自己的虚拟地址空间中，进程访问共享进程就好像在访问自己的虚拟内存一样，速度是非常快的。

共享内存的模型应该是比较好理解的：在物理内存中创建一个共享资源文件，进程将该共享内存绑定到自己的虚拟内存之中。

这里要解决的一个问题是如何将同一块共享内存绑定到自己的虚拟内存中，要知道在不同进程中使用 malloc 函数是会顺序分配空闲内存，而不会分配同一块内存，那么要如何去解决这个问题呢？

Linux操作系统已经想办法帮我们解决了这个问题，在 #include <sys/ipc.h> 和 #include <sys/shm.h> 头文件下，有如下几个shm系列函数：

通过上述几个函数，每个独立的进程只要有统一的共享内存标识符便可以建立起虚拟地址到物理地址的映射，每个虚拟地址将被翻译成指向共享区域的物理地址，这样就实现了对共享内存的访问。

还有一种相像的实现是采用mmap函数，mmap通常是直接对磁盘的映射——因此不算是共享内存，存储量非常大，但访问慢； shmat与此相反，通常将资源保存在内存中创建映射，访问快，但存储量较小。

不过要注意一点，操作系统并不保证任何并发问题，例如两个进程同时更改同一块内存区域，正如你和你的朋友在线编辑同一个文档中的同一个标题，这会导致一些不好的结果，所以我们需要借助信号量或其他方式来完成同步。

信号量是迪杰斯特拉最先提出的一种为解决 同步不同执行线程问题 的一种方法，进程与线程抽象来看大同小异，所以 信号量同样可以用于同步进程间通信 。

信号量 s 是具有非负整数值的全局变量，由两种特殊的 原子操作 来实现，这两种原子操作称为 P 和 V ：

信号量并不用来传送资源，而是用来保护共享资源，理解这一点是很重要的，信号量 s 的表示的含义为 同时允许最大访问资源的进程数量 ，它是一个全局变量。来考虑一个上面简单的例子：两个进程同时修改而造成错误，我们不考虑读者而仅仅考虑写者进程，在这个例子中共享资源最多允许一个进程修改资源，因此我们初始化 s 为1。

开始时，A率先写入资源，此时A调用P(s)，将 s 减一，此时 s = 0，A进入共享区工作。

此时，进程B也想进入共享区修改资源，它调用P(s)发现此时s为0，于是挂起进程，加入等待队列。

A工作完毕，调用V(s)，它发现s为0并检测到等待队列不为空，于是它随机唤醒一个等待进程，并将s加1，这里唤醒了B。

B被唤醒，继续执行P操作，此时s不为0，B成功执行将s置为0并进入工作区。

此时C想要进入工作区......

可以发现，在无论何时只有一个进程能够访问共享资源，这就是信号量做的事情，他控制进入共享区的最大进程数量，这取决于初始化s的值。此后，在进入共享区之前调用P操作，出共享区后调用V操作，这就是信号量的思想。

在Linux下并没有直接的P&V函数，而是需要我们根据这几个基本的sem函数族进行封装：

正如其名，管道就如同生活中的一根管道，一端输送，而另一端接收，双方不需要知道对方，只需要知道管道就好了。

管道是一种最 基本的进程间通信机制。 管道由pipe函数来创建： 调用pipe函数，会在内核中开辟出一块缓冲区用来进行进程间通信，这块缓冲区称为管道，它有一个读端和一个写端。管道被分为匿名管道和有名管道。

匿名管道通过pipe函数创建，这个函数接收一个长度为2的Int数组，并返回1或0表示成功或者失败：

int pipe(int fd[2])

这个函数打开两个文件描述符，一个读端文件，一个写端，分别存入fd[0]和fd[1]中，然后可以作为参数调用 write 和 read 函数进行写入或读取，注意fd[0]只能读取文件，而fd[1]只能用于写入文件。

你可能有个疑问，这要怎么实现通信？其他进程又不知道这个管道，因为进程是独立的，其他进程看不到某一个进程进行了什么操作。

是的，‘其他’进程确实是不知道，但是它的子进程却可以！这里涉及到fork派生进程的相关知识，一个进程派生一个子进程，那么子进程将会复制父进程的内存空间信息，注意这里是复制而不是共享，这意味着父子进程仍然是独立的，但是在这一时刻，它们所有的信息又是相等的。因此子进程也知道该全局管道，并且也拥有两个文件描述符与管道挂钩，所以 匿名管道只能在具有亲缘关系的进程间通信。

还要注意，匿名管道内部采用环形队列实现，只能由写端到读端，由于设计技术问题，管道被设计为半双工的，一方要写入则必须关闭读描述符，一方要读出则必须关闭写入描述符。因此我们说 管道的消息只能单向传递。

注意管道是堵塞的，如何堵塞将依赖于读写进程是否关闭文件描述符。如果读管道，如果读到空时，假设此时写端口还没有被完全关闭，那么操作系统会假设还有数据要读，此时读进程将会被堵塞，直到有新数据或写端口被关闭；如果管道为空，且写端口也被关闭，此时操作系统会认为已经没有东西可读，会直接退出，并关闭管道。

对于写一个已经满了的管道同理而言。

管道内部由内核管理，在半双工的条件下，保证数据不会出现并发问题。

了解了匿名管道之后，有名管道便很好理解了。在匿名管道的介绍中，我们说其他进程不知道管道和文件描述符的存在，所以匿名管道只适用于具有亲缘关系的进程，而命名管道则很好的解决了这个问题 —— 现在管道有一个唯一的名称了，任何进程都可以访问这个管道。

注意，操作系统将管道看作一个抽象的文件，但管道并不是普通的文件，管道存在于内核空间中而不放置在磁盘(有名管道文件系统上有一个标识符，没有数据块)，访问速度更快，但存储量较小，管道是临时的，是随进程的，当进程销毁，所有端口自动关闭，此时管道也是不存在的，操作系统将所有IO抽象的看作文件，例如网络也是一种文件，这意味着我们可以采用任何文件方法操作管道，理解这种抽象是很重要的，命名管道就利用了这种抽象。

Linux下，采用mkfifo函数创建，可以传入要指定的‘文件名’，然后其他进程就可以调用open方法打开这个特殊的文件，并进行write和read操作(那肯定是字节流对吧)。

注意，命名管道适用于任何进程，除了这一点不同外，其余大多数都与匿名管道相同。

消息队列亦称报文队列，也叫做信箱，是Linux的一种通信机制，这种通信机制传递的数据会被拆分为一个一个独立的数据块，也叫做消息体，消息体中可以定义类型与数据，克服了无格式承载字节流的缺陷(现在收到void*后可以知道其原本的格式惹):

同管道类似，它有一个不足就是每个消息的最大长度是有上限的，整个消息队列也是长度限制的。

内核为每个IPC对象维护了一个数据结构struct ipc_perm，该数据结构中有指向链表头与链表尾部的指针，保证每一次插入取出都是O(1)的时间复杂度。

一个进程可以发送信号给另一个进程，一个信号就是一条消息，可以用于通知一个进程组发送了某种类型的事件，该进程组中的进程可以采取处理程序处理事件。

Linux下 unistd.h 头文件下定义了如图中的常量，当你在shell命令行键入 ctrl + c 时，内核就会前台进程组的每一个进程发送 SIGINT 信号，中止进程。

我们可以看到上述只有30个信号，因此操作系统会为每一个进程维护一个int类型变量sig，利用其中30位代表是否有对应信号事件，每一个进程还有一个int类型变量block，与sig对应，其30位表示是否堵塞对应信号(不调用处理程序)。如果存在多个相同的信号同时到来，多余信号会被存储在一个等待队列中等待。

我们要理解进程组是什么，每个进程属于一个进程组，可以有多个进程属于同一个组。每个进程拥有一个进程ID，称为 pid ，而每个进程组拥有一个进程组ID，称为 pgid ，默认情况下，一个进程与其子进程属于同一进程组。

软件方面(诸如检测键盘输入是硬件方面)可以利用kill函数发送信号，kill函数接受两个参数，进程ID和信号类型，它将该信号类型发送到对应进程，如果该pid为0，那么会发送到属于自身进程组的所有进程。

接收方可以采用signal函数给对应事件添加处理程序，一旦事件发生，如果未被堵塞，则调用该处理程序。

Linux下有一套完善的函数用以处理信号机制。

Socket套接字是用与网络中不同主机的通信方式，多用于客户端与服务器之间，在Linux下也有一系列C语言函数，诸如socket、connect、bind、listen与accept，我们无需花太多时间研究这些函数，因为我们可能一辈子都不会与他们打交道，对于原理的学习，后续我会对Java中的套接字socket源码进行剖析。

对于工作而言，我们可能一辈子都用不上这些操作，但作为对于操作系统的学习，认识到进程间是如何通信还是很有必要的。

面试的时候对于这些方法我们不需要掌握到很深的程度，但我们必须要讲的来有什么通信方式，这些方式都有什么特点，适用于什么条件，大致是如何操作的，能说出这些，基本足以让面试官对你十分满意了。

F. linux 进程间通信的几种方式

1管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
2信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；
3报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
4共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
5信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
6套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

G. Linux 进程间套接字通信（Socket)基础知识

姓名：罗学元    学号：21181214375    学院：广州研究院

【嵌牛导读】Linux进程间套接字通信基础

【嵌牛鼻子】Linux 进程间套接字及通信介绍

【嵌牛提问】Linux进程间套接字包含哪些内容，如何实现通信

一、套接字（Socket）通信原理

套接字通信允许互联的位于不同计算机上的进程之间实现通信功能。

二、套接字的属性

套接字的特性由3个属性确定，它们分别是：域、类型和协议。

1. 套接字的域

它指定套接字通信中使用的网络介质，最常见的套接字域是AF_INET，它指的是Internet网络。当客户使用套接字进行跨网络的连接时，它就需要用到服务器计算机的IP地址和端口来指定一台联网机器上的某个特定服务，所以在使用socket作为通信的终点，服务器应用程序必须在开始通信之前绑定一个端口，服务器在指定的端口等待客户的连接。

另一个域AF_UNIX表示UNIX文件系统，就是文件输入/输出，它的地址就是文件名。

2. 套接字类型

因特网提供了两种通信机制：流（stream）和数据报（datagram），因而套接字的类型也就分为流套接字和数据报套接字。我们主要看流套接字。

流套接字由类型SOCK_STREAM指定，它们是在AF_INET域中通过TCP/IP连接实现，同时也是AF_UNIX中常用的套接字类型。

流套接字提供的是一个有序、可靠、双向字节流的连接，因此发送的数据可以确保不会丢失、重复或乱序到达，而且它还有一定的出错后重新发送的机制。

与流套接字相对的是由类型SOCK_DGRAM指定的数据报套接字，它不需要建立连接和维持一个连接，它们在AF_INET中通常是通过UDP/IP实现的。它对可以发送的数据的长度有限制，数据报作为一个单独的网络消息被传输，它可能丢失、复制或错乱到达，UDP不是一个可靠的协议，但是它的速度比较高，因为它并不需要总是要建立和维持一个连接。

3.套接字协议

只要底层的传输机制允许不止一个协议来提供要求的套接字类型，我们就可以为套接字选择一个特定的协议。通常只需要使用默认值。

三、套接字地址

每个套接字都有其自己的地址格式，对于AF_UNIX域套接字来说，它的地址由结构sockaddr_un来描述，该结构定义在头文件

struct sockaddr_un{

sa_family_t sun_family;  //AF_UNIX，它是一个短整型

char sum_path[];  //路径名

};

对于AF_INET域套接字来说，它的地址结构由sockaddr_in来描述，它至少包括以下几个成员：

struct sockaddr_in{

short int sin_family;  //AN_INET

unsigned short int sin_port;  //端口号

struct in_addr sin_addr;    //IP地址

}

而in_addr被定义为：

struct in_addr{

unsigned long int s_addr;

}

四、基于流套接字的客户/服务器的工作流程

使用socket进行进程通信的进程采用的客户/服务器系统是如何工作的呢？

1.服务器端

首先，服务器应用程序用系统调用socket来创建一个套接字，它是系统分配给该服务器进程的类似文件描述符的资源，它不能与其他的进程共享。

接下来，服务器进程会给套接字起个名字，我们使用系统调用bind来给套接字命名。然后服务器进程就开始等待客户连接到这个套接字。

然后，系统调用listen来创建一个队列，并将其用于存放来自客户的进入连接。

最后，服务器通过系统调用accept来接受客户的连接。它会创建一个与原有的命名套接不同的新套接字，这个套接字只用于与这个特定客户端进行通信，而命名套接字（即原先的套接字）则被保留下来继续处理来自其他客户的连接。

2.客户端

基于socket的客户端比服务器端简单。同样，客户应用程序首先调用socket来创建一个未命名的套接字，然后讲服务器的命名套接字作为一个地址来调用connect与服务器建立连接。

一旦连接建立，我们就可以像使用底层的文件描述符那样用套接字来实现双向数据的通信。

H. linux内核态和用户态的通信机制包括哪些

究竟什么是用户态，什么是内核态，这两个基本概念以前一直理解得不是很清楚，根本原因个人觉得是在于因为大部分时候我们在写程序时关注的重点和着眼的角度放在了实现的功能和代码的逻辑性上，先看一个例子：

1）例子

C代码
1. void testfork(){
2. if(0 = = fork()){
3. printf(“create new process success!\n”);
4. }
5. printf(“testfork ok\n”);
6. }

这段代码很简单，从功能的角度来看，就是实际执行了一个fork()，生成一个新的进程，从逻辑的角度看，就是判断了如果fork()返回的是则打印相关语句，然后函数最后再打印一句表示执行完整个testfork()函数。代码的执行逻辑和功能上看就是如此简单，一共四行代码，从上到下一句一句执行而已，完全看不出来哪里有体现出用户态和进程态的概念。

如果说前面两种是静态观察的角度看的话，我们还可以从动态的角度来看这段代码，即它被转换成CPU执行的指令后加载执行的过程，这时这段程序就是一个动态执行的指令序列。而究竟加载了哪些代码，如何加载就是和操作系统密切相关了。

2）特权级

熟悉Unix/Linux系统的人都知道，fork的工作实际上是以系统调用的方式完成相应功能的，具体的工作是由sys_fork负责实施。其实无论是不是Unix或者Linux，对于任何操作系统来说，创建一个新的进程都是属于核心功能，因为它要做很多底层细致地工作，消耗系统的物理资源，比如分配物理内存，从父进程拷贝相关信息，拷贝设置页目录页表等等，这些显然不能随便让哪个程序就能去做，于是就自然引出特权级别的概念，显然，最关键性的权力必须由高特权级的程序来执行，这样才可以做到集中管理，减少有限资源的访问和使用冲突。

特权级显然是非常有效的管理和控制程序执行的手段，因此在硬件上对特权级做了很多支持，就Intel x86架构的CPU来说一共有0~3四个特权级，0级最高，3级最低，硬件上在执行每条指令时都会对指令所具有的特权级做相应的检查，相关的概念有 CPL、DPL和RPL，这里不再过多阐述。硬件已经提供了一套特权级使用的相关机制，软件自然就是好好利用的问题，这属于操作系统要做的事情，对于 Unix/Linux来说，只使用了0级特权级和3级特权级。也就是说在Unix/Linux系统中，一条工作在级特权级的指令具有了CPU能提供的最高权力，而一条工作在3级特权级的指令具有CPU提供的最低或者说最基本权力。

3）用户态和内核态

现在我们从特权级的调度来理解用户态和内核态就比较好理解了，当程序运行在3级特权级上时，就可以称之为运行在用户态，因为这是最低特权级，是普通的用户进程运行的特权级，大部分用户直接面对的程序都是运行在用户态；反之，当程序运行在级特权级上时，就可以称之为运行在内核态。

虽然用户态下和内核态下工作的程序有很多差别，但最重要的差别就在于特权级的不同，即权力的不同。运行在用户态下的程序不能直接访问操作系统内核数据结构和程序，比如上面例子中的testfork()就不能直接调用 sys_fork()，因为前者是工作在用户态，属于用户态程序，而sys_fork()是工作在内核态，属于内核态程序。

当我们在系统中执行一个程序时，大部分时间是运行在用户态下的，在其需要操作系统帮助完成某些它没有权力和能力完成的工作时就会切换到内核态，比如testfork()最初运行在用户态进程下，当它调用fork()最终触发 sys_fork()的执行时，就切换到了内核态。

2. 用户态和内核态的转换

1）用户态切换到内核态的3种方式

a. 系统调用

这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如前例中fork()实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的int 80h中断。

b. 异常

当CPU在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

c. 外围设备的中断

当外围设备完成用户请求的操作后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式，其中系统调用可以认为是用户进程主动发起的，异常和外围设备中断则是被动的。

2）具体的切换操作

从触发方式上看，可以认为存在前述3种不同的类型，但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说，涉及的关键步骤是完全一致的，没有任何区别，都相当于执行了一个中断响应的过程，因为系统调用实际上最终是中断机制实现的，而异常和中断的处理机制基本上也是一致的，关于它们的具体区别这里不再赘述。关于中断处理机制的细节和步骤这里也不做过多分析，涉及到由用户态切换到内核态的步骤主要包括：

[1] 从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。

[2] 使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip,eflags,ss,esp信息保存起来，这个

过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一

条指令。

[3] 将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs,eip信息装入相应的寄存器，开始

执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。

I. Linux 进程间通信方式有哪些

进程间通信(IPC，Interprocess
communication)是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。因为即使只有一个用户发出要求，也可能导致一个操作系统中多个进程的运行，进程之间必须互相通话。IPC接口就提供了这种可能性。每个IPC方法均有它自己的优点和局限性，一般，对于单个程序而言使用所有的IPC方法是不常见的。
1、无名管道通信
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。
2、高级管道通信
高级管道(popen)：将另一个程序当做一个新的进程在当前程序进程中启动，则它算是当前程序的子进程，这种方式我们称为高级管道方式。
3、有名管道通信
有名管道(named pipe)：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。
4、消息队列通信
消息队列(message
queue)：消息队列是由消息的链表，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缺点。
5、信号量通信
信号量(semophore)：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问，它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
6、信号
信号(sinal)：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、共享内存通信
共享内存(shared
memory)：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方式，它是针对其他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和通信。
8、套接字通信
套接字(socket)：套接字也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

J. Linux fd 系列｜信号编程（signal）竟能这样做涨姿势

来源 | 奇点云存储（id : qiyacloud）授权转载

如若转载请联系原公众号

信号是什么？

首先说，信号（signal）是什么？

信号（ signal ）本质是 Linux 进程间通信的一种机制，也叫 软中断信号 。既然是通信机制，那么就是传递信息用的，信号传递的信息很简单，就是一个整数，一般用于配合系统管理任务，比如进程的终结、恢复、热加载等。

信号都用整数常量表示，命名以 SIG 为前缀，比如 SIGINT（ ctrl-c 触发），SIGKILL（ kill -9 触发 ）。

信号一般怎么产生？

信号处理分为两个阶段 ：

signalfd 是什么？

了解了什么是信号（ signal ），那 signalfd 又会是什么呢？

是一个跟信号关联的 文件描述符 ，能够以 io 的行为获取到系统信号，属性上来讲 signalfd 也是一个匿名 fd 类型。

signalfd 长什么样子？

奇点按照 man signalfd 里面的例子，写了个 demo，跑在 Linux 机器上，按照惯例去看下 fd 的样子。

从这里可以得到简单的信息：

signalfd 使用姿势？

其实信号是很讲究的，甚至有信号编程一说，Linux 的 signalfd 为信号的处理提供了一种新的方法， 统一到文件的 io 模式，契合一切接文件的理念 。

系统调用：

该系统调用返回一个整数类型 signalfd，这个句柄跟信号行为绑定，当发生信号的时候，句柄触发可读事件。

第一个参数也可以传入一个有效的信号 fd 的句柄， 如果传入的是 -1 ，那么内核会自动创建一个新的 fd 。

完整的代码例子，在 Linux 机器上，通过 man signalfd 就可以获取到。

上面的例子，signalfd 没有信号（没有可读事件）的时候会阻塞在 read 调用上，运行效果如下：

可以看到每一次 ctrl + c 触发的信号被捕捉到，并且打印出来。用文件 io 的方式来接收信号，牛。

怎么做到的呢？照例，我们浅析一下内核的代码，位于 fs/signalfd.c ，这是一个很小的文件，正是这个文件完成了对信号“文件化”的封装。

上面最重要的两个调用：

signalfd 原理剖析

1 signalfd

看一下 signalfd 支持的接口调用：

通过这个可以知道 signalfd 支持的特性：

2 signalfd_poll

这个函数做的事情非常简单，就是把 等待对象 挂到当前进程的信号结构的链表上。表头是： current->sighand->signalfd_wqh ，这个就有意思了，这里直接挂到当前进程的结构上。换句话说，唤醒也是自此表头开始。

回忆一下 timerfd ，是挂在 timerfd_ctx->wqh 的字段上。这里的差别是因为信号是对进程来说的。

3 signalfd_read

读一个 signalfd 的操作非常简单，主要逻辑：

简要的代码注释如下：

这里就能非常清晰的看到， 进程有信号的时候，signalfd 句柄就是可读的 。

signal 和 epoll 的配合

1 熟悉的 epoll_ctl

epoll_ctl 注册 signalfd 的时候，调用 signalfd_poll ， signalfd_poll 会把 epoll 创建的 wait entry 挂到 current->sighand 上。唤醒的时候调用这个 wait 链表的回调。

2 什么时候唤醒呢？

唤醒的操作其实不在 signalfd.c 文件中，而是在原有的信号软中断的流程中。

为了知识的完整性，说个点， signalfd_notify 其实在 timer 定时器的流程中也有调用，但跟我们本次主干没啥关系，这里忽略。

信号的发送唤醒的简要示意图：

所有的信号发送都会调用到 send_signal ，在这个里面实现了唤醒 sighand->signalfd_wqh 链表的操作。从而使得 epoll 感知到 signalfd 可读了（因为来信号了），使得 epoll 从 epoll_wait 出唤醒，然后调用 read 操作，把信号的相关信息从句柄中读出来。

划重点：唤醒在 信号发送 的过程。

总结