Linux進程間通信的實現(xiàn)原理？

漢無為 2019-06-23

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作為Linux應用程序的開發(fā)人員，對Linux的進程間通信方式肯定是了如指掌，平時的開發(fā)中應該會大量的使用到。當你迅速的在鍵盤上按下【CTRL+C】終止掉一個正在運行中的命令時，你有沒有仔細的思考過背后的原理呢？或者是他們是通過什么通信方式呢？這個通信方式是怎樣實現(xiàn)的呢？本文就帶著大家去Linux進程間通信一探究竟，找出他們的原理。

概念

我們都知道，應用程序在運行起來之后（進程），是相互獨立的，都有自己的進程地址空間。但是往往在一些業(yè)務上需要進程間的通信，來完成系統(tǒng)的某個完整的功能。我們來看下進程間通信能干那些事情？首先當然最重要的是：

數(shù)據(jù)傳輸。一個進程需要發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個進程，這種需求肯定是存在的。
共享數(shù)據(jù)。如果有多個進程想要訪問數(shù)據(jù)，一個進程修改了內(nèi)容，另一個進程能夠立即看到內(nèi)容變化。
資源保護：上面的的操作中存在競爭情況，內(nèi)核需要提供鎖和同步機制。
通知：一個進程需要向另一個進程發(fā)送消息，通知發(fā)生了某個事件。
控制：有些進程需要控制另一個進程的運行。典型的例子就是gdb，可參考之前文章【gdb到底是怎么實現(xiàn)的？】

通信方式

進程間的通信方式一般可以分為八種，如下：

他們在不同的標準都有不同的實現(xiàn)，如下圖所示：

我們先從管道開始講起來吧。

管道

這里說的管理特指的是無名管道，它是一種半雙工的通信方式。也就是說數(shù)據(jù)只能單向流動，一般是在具有親緣關系的進程間使用，比如父子進程。當一個進程創(chuàng)建了一個管道,并調(diào)用fork創(chuàng)建自己的一個子進程后,父進程關閉讀管道端,子進程關閉寫管道端,這樣提供了兩個進程之間數(shù)據(jù)流動的一種方式。

管道是怎么通信的呢？

首先管道是內(nèi)核的一個緩沖區(qū)，而且是在內(nèi)存中。管道一頭連接著一個進程的輸出，另一頭連接著另一個進程的輸入。一個緩沖區(qū)不需要很大，它被設計成為環(huán)形的數(shù)據(jù)結(jié)構，以便管道可以被循環(huán)利用。當管道中沒有信息的話，從管道中讀取的進程會等待，直到另一端的進程放入信息。當管道被放滿信息的時候，嘗試放入信息的進程會等待，直到另一端的進程取出信息。當兩個進程都終結(jié)的時候，管道也自動消失。看下圖：

那管道怎樣建立的呢？

從原理上，管道利用fork機制建立，從而讓兩個進程可以連接到同一個PIPE上。最開始的時候，上面的兩個箭頭都連接在同一個進程1上(連接在進程1上的兩個箭頭)，如下圖。當fork復制進程的時候，會將這兩個連接也復制到新的進程(進程2)。隨后，每個進程關閉自己不需要的一個連接 (兩個黑色的箭頭被關閉; 進程1關閉從PIPE來的輸入連接，進程2關閉輸出到PIPE的連接)，這樣，剩下的紅色連接就構成了如上圖的PIPE。

管道在內(nèi)核中具體怎么實現(xiàn)的呢？

在Linux內(nèi)核中，并沒有針對管道新增數(shù)據(jù)結(jié)構。而是巧妙的借用了文件系統(tǒng)的file結(jié)構和虛擬文件系統(tǒng)的索引節(jié)點inode。通過將兩個 file 結(jié)構指向同一個臨時的 VFS 索引節(jié)點，而這個 VFS 索引節(jié)點又指向一個物理頁面而實現(xiàn)的。

具體實現(xiàn)

管道的實現(xiàn)其實也不難，源代碼在內(nèi)核工程中的fs/pipe.c，我們著重的講兩個比較重要的接口吧，也就是常用的pipe_read()和pipe_write()，前者是管道讀函數(shù)，后者是管道寫函數(shù)。

管道寫函數(shù)將字節(jié)數(shù)據(jù)復制到虛擬文件系統(tǒng)索引節(jié)點指向的物理內(nèi)存頁，而讀函數(shù)則是相反：讀出數(shù)據(jù)。當然這里存在著競爭的管理，需要一定的同步機制，使用鎖，等待隊列和信號。

當我們寫的時候，調(diào)用write（），內(nèi)核根據(jù)傳入的文件描述符fd，找到該文件的file結(jié)構。然后執(zhí)行結(jié)構中f_op中的寫函數(shù)。寫函數(shù)在向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)之前，必須首先檢查虛擬文件系統(tǒng)索引節(jié)點信息，檢查是否有足夠的內(nèi)存空間可以寫和內(nèi)存沒有被讀程序鎖定這兩個條件，只有滿足了，才真正的進行內(nèi)存拷貝。

接下來寫函數(shù)就會鎖定內(nèi)存，然后復制數(shù)據(jù)到內(nèi)存，否則就在虛擬文件系統(tǒng)inode的等待隊列中。

管道的讀取過程和寫入過程類似。但是，進程可以在沒有數(shù)據(jù)或內(nèi)存被鎖定時立即返回錯誤信息，而不是阻塞該進程，這依賴于文件或管道的打開模式。反之，進程可以休眠在索引節(jié)點的等待隊列中等待寫入進程寫入數(shù)據(jù)。當所有的進程完成了管道操作之后，管道的索引節(jié)點被丟棄，而共享數(shù)據(jù)頁也被釋放。