涼了！張三同學沒答好「進程間通信」，被面試官掛了....

前言

開場小故事

炎炎夏日，張三騎著單車去面試花了 1 小時，一路上汗流浹背。

結果面試過程只花了 5 分鐘就結束了，面完的時候，天還是依然是亮的，還得在烈日下奔波 1 小時回去。

面試五分鐘，騎車兩小時。

你看，張三因面試沒準備好，吹空調的時間只有 5 分鐘，來回路上花了 2 小時曬太陽，你說慘不慘？

所以啊，炎炎夏日，為了能延長吹空調的時間，我們應該在面試前準備得更充分些，吹空調時間是要自己爭取的。

很明顯，在這一場面試中， 張三在進程間通信這一塊沒復習好，雖然列出了進程間通信的方式，但這只是表面功夫，應該需要進一步了解每種通信方式的優缺點及應用場景。

說真的，我們這次一起幫張三一起復習下，加深他對進程間通信的理解，好讓他下次吹空調的時間能長一點。

正文

每個進程的用戶地址空間都是獨立的，一般而言是不能互相訪問的，但內核空間是每個進程都共享的，所以進程之間要通信必須通過內核。

Linux 內核提供了不少進程間通信的機制，我們來一起瞧瞧有哪些？

管道

如果你學過 Linux 命令，那你肯定很熟悉「|」這個豎線。

$ ps auxf | grep mysql

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上面命令行里的「|」豎線就是一個管道，它的功能是將前一個命令（ps auxf）的輸出，作為后一個命令（grep mysql）的輸入，從這功能描述，可以看出管道傳輸數據是單向的，如果想相互通信，我們需要創建兩個管道才行。

同時，我們得知上面這種管道是沒有名字，所以「|」表示的管道稱為匿名管道，用完了就銷毀。

管道還有另外一個類型是命名管道，也被叫做 FIFO，因為數據是先進先出的傳輸方式。

在使用命名管道前，先需要通過 mkfifo 命令來創建，并且指定管道名字：

$ mkfifo myPipe

1

myPipe 就是這個管道的名稱，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，我們可以用 ls 看一下，這個文件的類型是 p，也就是 pipe（管道） 的意思：

$ ls -l prw-r--r--. 1 root root 0 Jul 17 02:45 myPipe

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2

接下來，我們往 myPipe 這個管道寫入數據：

$ echo "hello" > myPipe // 將數據寫進管道 // 停住了 ...

1

2

你操作了后，你會發現命令執行后就停在這了，這是因為管道里的內容沒有被讀取，只有當管道里的數據被讀完后，命令才可以正常退出。

于是，我們執行另外一個命令來讀取這個管道里的數據：

$ cat < myPipe // 讀取管道里的數據 hello

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2

可以看到，管道里的內容被讀取出來了，并打印在了終端上，另外一方面，echo 那個命令也正常退出了。

我們可以看出，管道這種通信方式效率低，不適合進程間頻繁地交換數據。當然，它的好處，自然就是簡單，同時也我們很容易得知管道里的數據已經被另一個進程讀取了。

那管道如何創建呢，背后原理是什么？

匿名管道的創建，需要通過下面這個系統調用：

int pipe(int fd[2])

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這里表示創建一個匿名管道，并返回了兩個描述符，一個是管道的讀取端描述符 fd[0]，另一個是管道的寫入端描述符 fd[1]。注意，這個匿名管道是特殊的文件，只存在于內存，不存于文件系統中。

其實，所謂的管道，就是內核里面的一串緩存。從管道的一段寫入的數據，實際上是緩存在內核中的，另一端讀取，也就是從內核中讀取這段數據。另外，管道傳輸的數據是無格式的流且大小受限。

看到這，你可能會有疑問了，這兩個描述符都是在一個進程里面，并沒有起到進程間通信的作用，怎么樣才能使得管道是跨過兩個進程的呢？

我們可以使用 fork 創建子進程，創建的子進程會復制父進程的文件描述符，這樣就做到了兩個進程各有兩個「 fd[0] 與 fd[1]」，兩個進程就可以通過各自的 fd 寫入和讀取同一個管道文件實現跨進程通信了。

管道只能一端寫入，另一端讀出，所以上面這種模式容易造成混亂，因為父進程和子進程都可以同時寫入，也都可以讀出。那么，為了避免這種情況，通常的做法是：

父進程關閉讀取的 fd[0]，只保留寫入的 fd[1]；

子進程關閉寫入的 fd[1]，只保留讀取的 fd[0]；

所以說如果需要雙向通信，則應該創建兩個管道。

到這里，我們僅僅解析了使用管道進行父進程與子進程之間的通信，但是在我們 shell 里面并不是這樣的。

在 shell 里面執行 A | B命令的時候，A 進程和 B 進程都是 shell 創建出來的子進程，A 和 B 之間不存在父子關系，它倆的父進程都是 shell。

所以說，在 shell 里通過「|」匿名管道將多個命令連接在一起，實際上也就是創建了多個子進程，那么在我們編寫 shell 腳本時，能使用一個管道搞定的事情，就不要多用一個管道，這樣可以減少創建子進程的系統開銷。

我們可以得知，對于匿名管道，它的通信范圍是存在父子關系的進程。因為管道沒有實體，也就是沒有管道文件，只能通過 fork 來復制父進程 fd 文件描述符，來達到通信的目的。

另外，對于命名管道，它可以在不相關的進程間也能相互通信。因為命令管道，提前創建了一個類型為管道的設備文件，在進程里只要使用這個設備文件，就可以相互通信。

不管是匿名管道還是命名管道，進程寫入的數據都是緩存在內核中，另一個進程讀取數據時候自然也是從內核中獲取，同時通信數據都遵循先進先出原則，不支持 lseek 之類的文件定位操作。

消息隊列

前面說到管道的通信方式是效率低的，因此管道不適合進程間頻繁地交換數據。

對于這個問題，消息隊列的通信模式就可以解決。比如，A 進程要給 B 進程發送消息，A 進程把數據放在對應的消息隊列后就可以正常返回了，B 進程需要的時候再去讀取數據就可以了。同理，B 進程要給 A 進程發送消息也是如此。

再來，消息隊列是保存在內核中的消息鏈表，在發送數據時，會分成一個一個獨立的數據單元，也就是消息體（數據塊），消息體是用戶自定義的數據類型，消息的發送方和接收方要約定好消息體的數據類型，所以每個消息體都是固定大小的存儲塊，不像管道是無格式的字節流數據。如果進程從消息隊列中讀取了消息體，內核就會把這個消息體刪除。

消息隊列生命周期隨內核，如果沒有釋放消息隊列或者沒有關閉操作系統，消息隊列會一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是隨進程的創建而建立，隨進程的結束而銷毀。

消息這種模型，兩個進程之間的通信就像平時發郵件一樣，你來一封，我回一封，可以頻繁溝通了。

但郵件的通信方式存在不足的地方有兩點，一是通信不及時，二是附件也有大小限制，這同樣也是消息隊列通信不足的點。

消息隊列不適合比較大數據的傳輸，因為在內核中每個消息體都有一個最大長度的限制，同時所有隊列所包含的全部消息體的總長度也是有上限。在 Linux 內核中，會有兩個宏定義 MSGMAX 和 MSGMNB，它們以字節為單位，分別定義了一條消息的最大長度和一個隊列的最大長度。

消息隊列通信過程中，存在用戶態與內核態之間的數據拷貝開銷，因為進程寫入數據到內核中的消息隊列時，會發生從用戶態拷貝數據到內核態的過程，同理另一進程讀取內核中的消息數據時，會發生從內核態拷貝數據到用戶態的過程。

共享內存

消息隊列的讀取和寫入的過程，都會有發生用戶態與內核態之間的消息拷貝過程。那共享內存的方式，就很好的解決了這一問題。

現代操作系統，對于內存管理，采用的是虛擬內存技術，也就是每個進程都有自己獨立的虛擬內存空間，不同進程的虛擬內存映射到不同的物理內存中。所以，即使進程 A 和 進程 B 的虛擬地址是一樣的，其實訪問的是不同的物理內存地址，對于數據的增刪查改互不影響。

共享內存的機制，就是拿出一塊虛擬地址空間來，映射到相同的物理內存中。這樣這個進程寫入的東西，另外一個進程馬上就能看到了，都不需要拷貝來拷貝去，傳來傳去，大大提高了進程間通信的速度。

信號量

用了共享內存通信方式，帶來新的問題，那就是如果多個進程同時修改同一個共享內存，很有可能就沖突了。例如兩個進程都同時寫一個地址，那先寫的那個進程會發現內容被別人覆蓋了。

為了防止多進程競爭共享資源，而造成的數據錯亂，所以需要保護機制，使得共享的資源，在任意時刻只能被一個進程訪問。正好，信號量就實現了這一保護機制。

信號量其實是一個整型的計數器，主要用于實現進程間的互斥與同步，而不是用于緩存進程間通信的數據。

信號量表示資源的數量，控制信號量的方式有兩種原子操作：

一個是 P 操作，這個操作會把信號量減去 -1，相減后如果信號量 < 0，則表明資源已被占用，進程需阻塞等待；相減后如果信號量 >= 0，則表明還有資源可使用，進程可正常繼續執行。

另一個是 V 操作，這個操作會把信號量加上 1，相加后如果信號量 <= 0，則表明當前有阻塞中的進程，于是會將該進程喚醒運行；相加后如果信號量 > 0，則表明當前沒有阻塞中的進程；

P 操作是用在進入共享資源之前，V 操作是用在離開共享資源之后，這兩個操作是必須成對出現的。

接下來，舉個例子，如果要使得兩個進程互斥訪問共享內存，我們可以初始化信號量為 1。

具體的過程如下：

進程 A 在訪問共享內存前，先執行了 P 操作，由于信號量的初始值為 1，故在進程 A 執行 P 操作后信號量變為 0，表示共享資源可用，于是進程 A 就可以訪問共享內存。

若此時，進程 B 也想訪問共享內存，執行了 P 操作，結果信號量變為了 -1，這就意味著臨界資源已被占用，因此進程 B 被阻塞。

直到進程 A 訪問完共享內存，才會執行 V 操作，使得信號量恢復為 0，接著就會喚醒阻塞中的線程 B，使得進程 B 可以訪問共享內存，最后完成共享內存的訪問后，執行 V 操作，使信號量恢復到初始值 1。

可以發現，信號初始化為 1，就代表著是互斥信號量，它可以保證共享內存在任何時刻只有一個進程在訪問，這就很好的保護了共享內存。

另外，在多進程里，每個進程并不一定是順序執行的，它們基本是以各自獨立的、不可預知的速度向前推進，但有時候我們又希望多個進程能密切合作，以實現一個共同的任務。

例如，進程 A 是負責生產數據，而進程 B 是負責讀取數據，這兩個進程是相互合作、相互依賴的，進程 A 必須先生產了數據，進程 B 才能讀取到數據，所以執行是有前后順序的。

那么這時候，就可以用信號量來實現多進程同步的方式，我們可以初始化信號量為 0。

具體過程：

如果進程 B 比進程 A 先執行了，那么執行到 P 操作時，由于信號量初始值為 0，故信號量會變為 -1，表示進程 A 還沒生產數據，于是進程 B 就阻塞等待；

接著，當進程 A 生產完數據后，執行了 V 操作，就會使得信號量變為 0，于是就會喚醒阻塞在 P 操作的進程 B；

最后，進程 B 被喚醒后，意味著進程 A 已經生產了數據，于是進程 B 就可以正常讀取數據了。

可以發現，信號初始化為 0，就代表著是同步信號量，它可以保證進程 A 應在進程 B 之前執行。

信號

上面說的進程間通信，都是常規狀態下的工作模式。對于異常情況下的工作模式，就需要用「信號」的方式來通知進程。

信號跟信號量雖然名字相似度 66.66%，但兩者用途完全不一樣，就好像 Java 和 JavaScript 的區別。

在 Linux 操作系統中， 為了響應各種各樣的事件，提供了幾十種信號，分別代表不同的意義。我們可以通過 kill -l 命令，查看所有的信號：

$ kill -l 1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP 6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1 11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM 16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP 21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ 26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR 31) SIGSYS 34) SIGRTMIN 35) SIGRTMIN+1 36) SIGRTMIN+2 37) SIGRTMIN+3 38) SIGRTMIN+4 39) SIGRTMIN+5 40) SIGRTMIN+6 41) SIGRTMIN+7 42) SIGRTMIN+8 43) SIGRTMIN+9 44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13 48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12 53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9 56) SIGRTMAX-8 57) SIGRTMAX-7 58) SIGRTMAX-6 59) SIGRTMAX-5 60) SIGRTMAX-4 61) SIGRTMAX-3 62) SIGRTMAX-2 63) SIGRTMAX-1 64) SIGRTMAX

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運行在 shell 終端的進程，我們可以通過鍵盤輸入某些組合鍵的時候，給進程發送信號。例如

Ctrl+C 產生 SIGINT 信號，表示終止該進程；

Ctrl+Z 產生 SIGTSTP 信號，表示停止該進程，但還未結束；

如果進程在后臺運行，可以通過 kill 命令的方式給進程發送信號，但前提需要知道運行中的進程 PID 號，例如：

kill -9 1050 ，表示給 PID 為 1050 的進程發送 SIGKILL 信號，用來立即結束該進程；

所以，信號事件的來源主要有硬件來源（如鍵盤 Cltr+C ）和軟件來源（如 kill 命令）。

信號是進程間通信機制中唯一的異步通信機制，因為可以在任何時候發送信號給某一進程，一旦有信號產生，我們就有下面這幾種，用戶進程對信號的處理方式。

1.執行默認操作。Linux 對每種信號都規定了默認操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信號，就是終止進程的意思。Core 的意思是 Core Dump，也即終止進程后，通過 Core Dump 將當前進程的運行狀態保存在文件里面，方便程序員事后進行分析問題在哪里。

2.捕捉信號。我們可以為信號定義一個信號處理函數。當信號發生時，我們就執行相應的信號處理函數。

3.忽略信號。當我們不希望處理某些信號的時候，就可以忽略該信號，不做任何處理。有兩個信號是應用進程無法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，它們用于在任何時候中斷或結束某一進程。

Socket

前面提到的管道、消息隊列、共享內存、信號量和信號都是在同一臺主機上進行進程間通信，那要想跨網絡與不同主機上的進程之間通信，就需要 Socket 通信了。

實際上，Socket 通信不僅可以跨網絡與不同主機的進程間通信，還可以在同主機上進程間通信。

我們來看看創建 socket 的系統調用：

int socket(int domain, int type, int protocal)

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三個參數分別代表：

domain 參數用來指定協議族，比如 AF_INET 用于 IPV4、AF_INET6 用于 IPV6、AF_LOCAL/AF_UNIX 用于本機；

type 參數用來指定通信特性，比如 SOCK_STREAM 表示的是字節流，對應 TCP、SOCK_DGRAM 表示的是數據報，對應 UDP、SOCK_RAW 表示的是原始套接字；

protocal 參數原本是用來指定通信協議的，但現在基本廢棄。因為協議已經通過前面兩個參數指定完成，protocol 目前一般寫成 0 即可；

根據創建 socket 類型的不同，通信的方式也就不同：

實現 TCP 字節流通信： socket 類型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM；

實現 UDP 數據報通信：socket 類型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM；

實現本地進程間通信： 「本地字節流 socket 」類型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM，「本地數據報 socket 」類型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外，AF_UNIX 和 AF_LOCAL 是等價的，所以 AF_UNIX 也屬于本地 socket；

接下來，簡單說一下這三種通信的編程模式。

針對 TCP 協議通信的 socket 編程模型

服務端和客戶端初始化 socket，得到文件描述符；

服務端調用 bind，將綁定在 IP 地址和端口;

服務端調用 listen，進行監聽；

服務端調用 accept，等待客戶端連接；

客戶端調用 connect，向服務器端的地址和端口發起連接請求；

服務端 accept 返回用于傳輸的 socket 的文件描述符；

客戶端調用 write 寫入數據；服務端調用 read 讀取數據；

客戶端斷開連接時，會調用 close，那么服務端 read 讀取數據的時候，就會讀取到了 EOF，待處理完數據后，服務端調用 close，表示連接關閉。

這里需要注意的是，服務端調用 accept 時，連接成功了會返回一個已完成連接的 socket，后續用來傳輸數據。

所以，監聽的 socket 和真正用來傳送數據的 socket，是「兩個」 socket，一個叫作監聽 socket，一個叫作已完成連接 socket。

成功連接建立之后，雙方開始通過 read 和 write 函數來讀寫數據，就像往一個文件流里面寫東西一樣。

針對 UDP 協議通信的 socket 編程模型

UDP 是沒有連接的，所以不需要三次握手，也就不需要像 TCP 調用 listen 和 connect，但是 UDP 的交互仍然需要 IP 地址和端口號，因此也需要 bind。

對于 UDP 來說，不需要要維護連接，那么也就沒有所謂的發送方和接收方，甚至都不存在客戶端和服務端的概念，只要有一個 socket 多臺機器就可以任意通信，因此每一個 UDP 的 socket 都需要 bind。

另外，每次通信時，調用 sendto 和 recvfrom，都要傳入目標主機的 IP 地址和端口。

針對本地進程間通信的 socket 編程模型

本地 socket 被用于在同一臺主機上進程間通信的場景：

本地 socket 的編程接口和 IPv4 、IPv6 套接字編程接口是一致的，可以支持「字節流」和「數據報」兩種協議；

本地 socket 的實現效率大大高于 IPv4 和 IPv6 的字節流、數據報 socket 實現；

對于本地字節流 socket，其 socket 類型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM。

對于本地數據報 socket，其 socket 類型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。

本地字節流 socket 和 本地數據報 socket 在 bind 的時候，不像 TCP 和 UDP 要綁定 IP 地址和端口，而是綁定一個本地文件，這也就是它們之間的最大區別。

總結

由于每個進程的用戶空間都是獨立的，不能相互訪問，這時就需要借助內核空間來實現進程間通信，原因很簡單，每個進程都是共享一個內核空間。

Linux 內核提供了不少進程間通信的方式，其中最簡單的方式就是管道，管道分為「匿名管道」和「命名管道」。

匿名管道顧名思義，它沒有名字標識，匿名管道是特殊文件只存在于內存，沒有存在于文件系統中，shell 命令中的「|」豎線就是匿名管道，通信的數據是無格式的流并且大小受限，通信的方式是單向的，數據只能在一個方向上流動，如果要雙向通信，需要創建兩個管道，再來匿名管道是只能用于存在父子關系的進程間通信，匿名管道的生命周期隨著進程創建而建立，隨著進程終止而消失。

命名管道突破了匿名管道只能在親緣關系進程間的通信限制，因為使用命名管道的前提，需要在文件系統創建一個類型為 p 的設備文件，那么毫無關系的進程就可以通過這個設備文件進行通信。另外，不管是匿名管道還是命名管道，進程寫入的數據都是緩存在內核中，另一個進程讀取數據時候自然也是從內核中獲取，同時通信數據都遵循先進先出原則，不支持 lseek 之類的文件定位操作。

消息隊列克服了管道通信的數據是無格式的字節流的問題，消息隊列實際上是保存在內核的「消息鏈表」，消息隊列的消息體是可以用戶自定義的數據類型，發送數據時，會被分成一個一個獨立的消息體，當然接收數據時，也要與發送方發送的消息體的數據類型保持一致，這樣才能保證讀取的數據是正確的。消息隊列通信的速度不是最及時的，畢竟每次數據的寫入和讀取都需要經過用戶態與內核態之間的拷貝過程。

共享內存可以解決消息隊列通信中用戶態與內核態之間數據拷貝過程帶來的開銷，它直接分配一個共享空間，每個進程都可以直接訪問，就像訪問進程自己的空間一樣快捷方便，不需要陷入內核態或者系統調用，大大提高了通信的速度，享有最快的進程間通信方式之名。但是便捷高效的共享內存通信，帶來新的問題，多進程競爭同個共享資源會造成數據的錯亂。

那么，就需要信號量來保護共享資源，以確保任何時刻只能有一個進程訪問共享資源，這種方式就是互斥訪問。信號量不僅可以實現訪問的互斥性，還可以實現進程間的同步，信號量其實是一個計數器，表示的是資源個數，其值可以通過兩個原子操作來控制，分別是 P 操作和 V 操作。

與信號量名字很相似的叫信號，它倆名字雖然相似，但功能一點兒都不一樣。信號是進程間通信機制中唯一的異步通信機制，信號可以在應用進程和內核之間直接交互，內核也可以利用信號來通知用戶空間的進程發生了哪些系統事件，信號事件的來源主要有硬件來源（如鍵盤 Cltr+C ）和軟件來源（如 kill 命令），一旦有信號發生，進程有三種方式響應信號 1. 執行默認操作、2. 捕捉信號、3. 忽略信號。有兩個信號是應用進程無法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，這是為了方便我們能在任何時候結束或停止某個進程。

前面說到的通信機制，都是工作于同一臺主機，如果要與不同主機的進程間通信，那么就需要 Socket 通信了。Socket 實際上不僅用于不同的主機進程間通信，還可以用于本地主機進程間通信，可根據創建 Socket 的類型不同，分為三種常見的通信方式，一個是基于 TCP 協議的通信方式，一個是基于 UDP 協議的通信方式，一個是本地進程間通信方式。

以上，就是進程間通信的主要機制了。你可能會問了，那線程通信間的方式呢？

同個進程下的線程之間都是共享進程的資源，只要是共享變量都可以做到線程間通信，比如全局變量，所以對于線程間關注的不是通信方式，而是關注多線程競爭共享資源的問題，信號量也同樣可以在線程間實現互斥與同步：

互斥的方式，可保證任意時刻只有一個線程訪問共享資源；

同步的方式，可保證線程 A 應在線程 B 之前執行；

好了，今日幫張三同學復習就到這了，希望張三同學早日收到心意的 offer，給夏天劃上充滿汗水的句號。

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Linux 任務調度

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