进程间通信
- 一、管道
- 创建管道
- 父子进程的管道单向通信
- 父子间的双向通信管道
- Shell中的管道通信
- 匿名管道与命名管道
- 管道特点
- 二、消息队列
- 不足
- 三、共享内存
- 四、信号量
- 五、信号
- 六、Socket
- 创建Socket的系统调用
- 通信方式
- TCP协议通信的Socket编程模型
- UDP协议通信的Socket编程模型
- 本地进程间通信的Socket编程模型
进程是相互独立的，他们之间的通信只能通过内核。
一、管道
创建管道
匿名管道的创建，需要通过下这个系统调用：
这里表示创建⼀个匿名管道，并返回了两个描述符，
- ⼀个是管道的读取端描述符 fd[0]
- ⼀个是管道的写入端描述符 fd[1] 。
这个匿名管道是特殊的文件，只存在于内存，不存于文件系统中。
其实，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。
父子进程的管道单向通信
使用fork创建子进程，创建的子进程会复制父进程的文件描述符，这样就做到了两个进程各有两个fd[0]fd[1]，两个进程就可以通过各自的 fd 写入和读取同⼀个管道文件实现跨进程通信了。
父子间的双向通信管道
如果需要双向通信，则应该创建两个管道。
Shell中的管道通信
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，它俩的父进程都是 shell。
匿名管道与命名管道
- 匿名管道：通信范围存在父子关系的进程。因为它没有管道文件，只能通过fork复制父进程的fd文件描述符。
- 命名管道：对于命名管道，它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道，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。
管道特点
- 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。
- 管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。
- 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。
二、消息队列
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，二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
不足
- 通信不及时
- 附件有大小限制
三、共享内存
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。
四、信号量
为了防止进程竞争共享资源，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。
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
- 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
- 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。
- 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
- 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
五、信号
上面说的进程通信，是常规模式状态下的工作模式。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
- 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。
六、Socket
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。 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
int socket(int domain, int type, int protocal) 三个参数分别代表
- domain：用来代表指定协议族，比如AF_INET用于IPV4、AF_INET6用于IPV6、AF_LOCAL/AF_UNIX用于本机
- type：用来指定通信特性，比如SOCK_STREAM表示的是字节流，对于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：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
通信方式
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
TCP协议通信的Socket编程模型
- 服务端和客户端初始化 socket ，得到文件描述符
- 服务端调用bind ，将绑定在 IP 地址和端口
- 服务端调用listen ，进行监听
- 服务端调用accept ，等待客户端连接
- 客户端调用connect ，向服务器端的地址和端⼝发起连接请求
- 服务端accept返回用于传输的socket的文件描述符
- 客户端调用write写入数据
- 服务端调用read 读取数据
- 客户端断开连接时，会调用close ，那么服务端read读取数据的时候，就会读取到了EOF ，待处理完数据后，服务端调调用 close ，表示连接关闭。
UDP协议通信的Socket编程模型
UDP是没有连接的，所以不需要三次握⼿，也就不需要像 TCP调用listen和connect，但是UDP的交互仍然需要 IP 地址和端口号，因此也需要 bind。对于UDP 来说，不需要维护连接，那么也就没有所谓的发送方和接收方，甚⾄都不存在客户端和服务端的概念，只要有⼀个 socket多台机器就可以任意通信，因此每⼀个UDP 的 socket 都需要 bind。另外，每次通信时，调用sendto和recvfrom，都要传入目标主机的 IP地址和端口。
本地进程间通信的Socket编程模型
本地 socket 被用于在同⼀台主机上进程间通信的场景：
- 本地socket的编接口和 IPv4 、IPv6 套接字编程接口是⼀致的，可以支持字节流和数据报」两种协议
- 本地 socket 的实现效率大高于 IPv4 和 IPv6 的字节流、数据报 socket 实现
- 对于本地字节流 socket，其 socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM。 对于本地数据报 socket，其socket 类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。 本地字节流 socket 和 本地数据报 socket 在 bind 的时候，不像 TCP 和 UDP 要绑定 IP 地址和端口，而是绑定⼀个本地文件，这也就是它们之间的最大区别。
