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一個(gè)大型的應(yīng)用系統(tǒng)，往往需要眾多進(jìn)程協(xié)作，進(jìn)程（Linux進(jìn)程概念見(jiàn)附1）間通信的重要性顯而易見(jiàn)。本系列文章闡述了Linux環(huán)境下的幾種主要進(jìn)程間通信手段，并針對(duì)每個(gè)通信手段關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)給出詳細(xì)實(shí)例。為達(dá)到闡明問(wèn)題的目的，本文還對(duì)某些通信手段的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了分析。

序

linux下的進(jìn)程通信手段基本上是從Unix平臺(tái)上的進(jìn)程通信手段繼承而來(lái)的。而對(duì)Unix發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的兩大主力AT&T的貝爾實(shí)驗(yàn)室及BSD（加州大學(xué)伯克利分校的伯克利軟件發(fā)布中心）在進(jìn)程間通信方面的側(cè)重點(diǎn)有所不同。前者對(duì)Unix早期的進(jìn)程間通信手段進(jìn)行了系統(tǒng)的改進(jìn)和擴(kuò)充，形成了“system V IPC”，通信進(jìn)程局限在單個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)；后者則跳過(guò)了該限制，形成了基于套接口（socket）的進(jìn)程間通信機(jī)制。Linux則把兩者繼承了下來(lái)，如圖示：

其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信號(hào)；System V IPC包括：System V消息隊(duì)列、System V信號(hào)燈、System V共享內(nèi)存區(qū)；Posix IPC包括： Posix消息隊(duì)列、Posix信號(hào)燈、Posix共享內(nèi)存區(qū)。有兩點(diǎn)需要簡(jiǎn)單說(shuō)明一下：1）由于Unix版本的多樣性，電子電氣工程協(xié)會(huì)（IEEE）開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨(dú)立的Unix標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)新的ANSI Unix標(biāo)準(zhǔn)被稱為計(jì)算機(jī)環(huán)境的可移植性操作系統(tǒng)界面（PSOIX）。現(xiàn)有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)的，而Linux從一開(kāi)始就遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)；2）BSD并不是沒(méi)有涉足單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信（socket本身就可以用于單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信）。事實(shí)上，很多Unix版本的單機(jī)IPC留有BSD的痕跡，如4.4BSD支持的匿名內(nèi)存映射、4.3+BSD對(duì)可靠信號(hào)語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)等等。

圖一給出了linux 所支持的各種IPC手段，在本文接下來(lái)的討論中，為了避免概念上的混淆，在盡可能少提及Unix的各個(gè)版本的情況下，所有問(wèn)題的討論最終都會(huì)歸結(jié)到Linux環(huán)境下的進(jìn)程間通信上來(lái)。并且，對(duì)于Linux所支持通信手段的不同實(shí)現(xiàn)版本（如對(duì)于共享內(nèi)存來(lái)說(shuō)，有Posix共享內(nèi)存區(qū)以及System V共享內(nèi)存區(qū)兩個(gè)實(shí)現(xiàn)版本），將主要介紹Posix API。

linux下進(jìn)程間通信的幾種主要手段簡(jiǎn)介：

管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信，有名管道克服了管道沒(méi)有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無(wú)親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信；

信號(hào)（Signal）：信號(hào)是比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接受進(jìn)程有某種事件發(fā)生，除了用于進(jìn)程間通信外，進(jìn)程還可以發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程本身；linux除了支持Unix早期信號(hào)語(yǔ)義函數(shù)sigal外，還支持語(yǔ)義符合Posix.1標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)函數(shù)sigaction（實(shí)際上，該函數(shù)是基于BSD的，BSD為了實(shí)現(xiàn)可靠信號(hào)機(jī)制，又能夠統(tǒng)一對(duì)外接口，用sigaction函數(shù)重新實(shí)現(xiàn)了signal函數(shù)）；

報(bào)文（Message）隊(duì)列（消息隊(duì)列）：消息隊(duì)列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊(duì)列system V消息隊(duì)列。有足夠權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息，被賦予讀權(quán)限的進(jìn)程則可以讀走隊(duì)列中的消息。消息隊(duì)列克服了信號(hào)承載信息量少，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)。

共享內(nèi)存：使得多個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)同一塊內(nèi)存空間，是最快的可用IPC形式。是針對(duì)其他通信機(jī)制運(yùn)行效率較低而設(shè)計(jì)的。往往與其它通信機(jī)制，如信號(hào)量結(jié)合使用，來(lái)達(dá)到進(jìn)程間的同步及互斥。

信號(hào)量（semaphore）：主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程不同線程之間的同步手段。

套接口（Socket）：更為一般的進(jìn)程間通信機(jī)制，可用于不同機(jī)器之間的進(jìn)程間通信。起初是由Unix系統(tǒng)的BSD分支開(kāi)發(fā)出來(lái)的，但現(xiàn)在一般可以移植到其它類Unix系統(tǒng)上：Linux和System V的變種都支持套接字。

簡(jiǎn)介：本文主要介紹了管道（pipe）的基本概念和用途；分析了環(huán)形緩沖區(qū)的存儲(chǔ)、訪問(wèn)及其實(shí)現(xiàn)方法；分析并發(fā)訪問(wèn)可能引發(fā)的問(wèn)題，并給出解決方法；分析了linux2.6.29內(nèi)核中pipe的讀寫(xiě)函數(shù)。

1、管道（pipe）

管道是進(jìn)程間通信的主要手段之一。一個(gè)管道實(shí)際上就是個(gè)只存在于內(nèi)存中的文件，對(duì)這個(gè)文件的操作要通過(guò)兩個(gè)已經(jīng)打開(kāi)文件進(jìn)行，它們分別代表管道的兩端。管道是一種特殊的文件，它不屬于某一種文件系統(tǒng)，而是一種獨(dú)立的文件系統(tǒng)，有其自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)管道的適用范圍將其分為：無(wú)名管道和命名管道。

●?????無(wú)名管道

主要用于父進(jìn)程與子進(jìn)程之間，或者兩個(gè)兄弟進(jìn)程之間。在linux系統(tǒng)中可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用建立起一個(gè)單向的通信管道，且這種關(guān)系只能由父進(jìn)程來(lái)建立。因此，每個(gè)管道都是單向的，當(dāng)需要雙向通信時(shí)就需要建立起兩個(gè)管道。管道兩端的進(jìn)程均將該管道看做一個(gè)文件，一個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)往管道中寫(xiě)內(nèi)容，而另一個(gè)從管道中讀取。這種傳輸遵循“先入先出”（FIFO）的規(guī)則。

●?????命名管道

命名管道是為了解決無(wú)名管道只能用于近親進(jìn)程之間通信的缺陷而設(shè)計(jì)的。命名管道是建立在實(shí)際的磁盤(pán)介質(zhì)或文件系統(tǒng)（而不是只存在于內(nèi)存中）上有自己名字的文件，任何進(jìn)程可以在任何時(shí)間通過(guò)文件名或路徑名與該文件建立聯(lián)系。為了實(shí)現(xiàn)命名管道，引入了一種新的文件類型——FIFO文件（遵循先進(jìn)先出的原則）。實(shí)現(xiàn)一個(gè)命名管道實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)FIFO文件。命名管道一旦建立，之后它的讀、寫(xiě)以及關(guān)閉操作都與普通管道完全相同。雖然FIFO文件的inode節(jié)點(diǎn)在磁盤(pán)上，但是僅是一個(gè)節(jié)點(diǎn)而已，文件的數(shù)據(jù)還是存在于內(nèi)存緩沖頁(yè)面中，和普通管道相同。

2、環(huán)形緩沖區(qū)

每個(gè)管道只有一個(gè)頁(yè)面作為緩沖區(qū)，該頁(yè)面是按照環(huán)形緩沖區(qū)的方式來(lái)使用的。這種訪問(wèn)方式是典型的“生產(chǎn)者——消費(fèi)者”模型。當(dāng)“生產(chǎn)者”進(jìn)程有大量的數(shù)據(jù)需要寫(xiě)時(shí)，而且每當(dāng)寫(xiě)滿一個(gè)頁(yè)面就需要進(jìn)行睡眠等待，等待“消費(fèi)者”從管道中讀走一些數(shù)據(jù)，為其騰出一些空間。相應(yīng)的，如果管道中沒(méi)有可讀數(shù)據(jù)，“消費(fèi)者”進(jìn)程就要睡眠等待，具體過(guò)程如下圖所示。

圖1?生產(chǎn)者——消費(fèi)者關(guān)系圖

2.1環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)原理

環(huán)形緩沖區(qū)是嵌入式系統(tǒng)中一個(gè)常用的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般采用數(shù)組形式進(jìn)行存儲(chǔ)，即在內(nèi)存中申請(qǐng)一塊連續(xù)的線性空間，可以在初始化的時(shí)候把存儲(chǔ)空間一次性分配好。只是要模擬環(huán)形，必須在邏輯上把數(shù)組的頭尾相連接。只要對(duì)數(shù)組最后一個(gè)元素進(jìn)行特殊的處理——訪問(wèn)尾部元素的下一元素時(shí)，重新回到頭部元素。對(duì)于從尾部回到頭部只需模緩沖長(zhǎng)度即可（假設(shè)maxlen為環(huán)形緩沖的長(zhǎng)度，當(dāng)讀指針read指向尾部元素時(shí)，只需執(zhí)行read=read%maxlen即可使read回到頭部元素）。

圖2?環(huán)形緩沖區(qū)圖

2.2讀寫(xiě)操作

環(huán)形緩沖區(qū)要維護(hù)寫(xiě)端（write）和讀端（read）兩個(gè)索引。寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，必須先確保緩沖區(qū)沒(méi)有滿，然后才能將數(shù)據(jù)寫(xiě)入，最后將write指針指向下一個(gè)元素；讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先要確保緩沖區(qū)不為空，然后返回read指針對(duì)應(yīng)得元素，最后使read指向下一個(gè)元素的位置。讀寫(xiě)操作偽代碼：

2.3判斷“滿”和“空”

當(dāng)read和write指向同一個(gè)位置時(shí)環(huán)形緩沖區(qū)為空或滿。為了區(qū)別環(huán)滿和空，當(dāng)read和write重疊的時(shí)候環(huán)空；而當(dāng)write比read快，追到距離read還有一個(gè)元素間隔的時(shí)候，就認(rèn)為環(huán)已經(jīng)滿了。環(huán)形緩沖區(qū)原理圖如圖3所示。

圖3?環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)原理圖

3?并發(fā)訪問(wèn)

考慮到在不同環(huán)境下，任務(wù)可能對(duì)環(huán)形緩沖區(qū)的訪問(wèn)情況不同，需要對(duì)并發(fā)訪問(wèn)的情況進(jìn)行分析。

在單任務(wù)環(huán)境下，只存在一個(gè)讀任務(wù)和一個(gè)寫(xiě)任務(wù)，只要保證寫(xiě)任務(wù)可以順利的完成將數(shù)據(jù)寫(xiě)入，而讀任務(wù)可以及時(shí)的將數(shù)據(jù)讀出即可。如果有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生，可能會(huì)出現(xiàn)如下情況：

Case1：假如寫(xiě)任務(wù)在“寫(xiě)指針加1，指向下一個(gè)可寫(xiě)空位置”執(zhí)行完成時(shí)被打斷，如圖3所示，此時(shí)寫(xiě)指針write指向非法位置。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度讀任務(wù)執(zhí)行時(shí)，如果讀任務(wù)需要讀多個(gè)數(shù)據(jù)，那么不但應(yīng)該讀出的數(shù)據(jù)被讀出，而且當(dāng)讀指針被調(diào)整為0是，會(huì)將以前已經(jīng)讀出的數(shù)據(jù)重復(fù)讀出。

圖4?寫(xiě)指針?lè)欠?/p>

Case2：假設(shè)讀任務(wù)進(jìn)行讀操作，在“讀指針加1”執(zhí)行完時(shí)被打斷，如圖4所示，此時(shí)read所處的位置是非法的。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度寫(xiě)任務(wù)執(zhí)行時(shí)，如果寫(xiě)任務(wù)要寫(xiě)多個(gè)數(shù)據(jù)，那么當(dāng)寫(xiě)指針指到尾部時(shí)，本來(lái)緩沖區(qū)應(yīng)該為滿狀態(tài)，不能再寫(xiě)，但是由于讀指針處于非法位置，在讀任務(wù)執(zhí)行前，寫(xiě)任務(wù)會(huì)任務(wù)緩沖區(qū)為空，繼續(xù)進(jìn)行寫(xiě)操作，將覆蓋還沒(méi)有來(lái)的及讀出的數(shù)據(jù)。

圖5?讀指針?lè)欠?/p>

為了避免上述錯(cuò)誤的發(fā)生，必須保證讀寫(xiě)指針操作是原子性的，讀寫(xiě)指針的值要么是沒(méi)有修改的，要么是修改正確的。可以引入信號(hào)量，有效的保護(hù)臨界區(qū)代碼，就可以避免這些問(wèn)題。在單任務(wù)環(huán)境下，也可以通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)避免信號(hào)量的使用，從而提高程序的執(zhí)行效率。

4.linux內(nèi)核中pipe的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)

Linux內(nèi)核中采用struct pipe_inode_info結(jié)構(gòu)體來(lái)描述一個(gè)管道。

其中，當(dāng)pipe為空/滿時(shí)，采用等待隊(duì)列，該隊(duì)列使用自旋鎖進(jìn)行保護(hù)。

用struct Pipe_buffer數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述pipe的緩沖（buffer）

本文重點(diǎn)針對(duì)pipe實(shí)現(xiàn)中對(duì)環(huán)形緩沖區(qū)的操作方法，目的是借鑒學(xué)習(xí)其互斥訪問(wèn)方法。因此，著重分析pipe_read和pipe_write方法。

●Pipe_read(fs/pipe.c)

訪問(wèn)pipe對(duì)應(yīng)的inode必須獲得相應(yīng)的互斥鎖，防止并發(fā)訪問(wèn)。

數(shù)據(jù)的讀出放在一個(gè)死循環(huán)中，整個(gè)for循環(huán)中的代碼均屬于臨界區(qū)，需要互斥鎖進(jìn)行保護(hù)。

有以下幾種情況才會(huì)退出：

▲?????完成數(shù)據(jù)的讀出；

▲?????Pipe沒(méi)有writer進(jìn)程

▲?????進(jìn)程設(shè)置了O_NONBLOCK標(biāo)志

325行將buffer中的數(shù)據(jù)讀出。完成后，緊接著調(diào)整buffer中指針的位置

其中，348行設(shè)置標(biāo)志，do_wakeup為1，說(shuō)明buffer中已經(jīng)有空位置可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)，這時(shí)，可以喚醒等待隊(duì)列中的睡眠的寫(xiě)進(jìn)程。

如果沒(méi)有退出，或者成功讀取數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程會(huì)主動(dòng)調(diào)用pipe_wait函數(shù)進(jìn)行睡眠等待，直到有writer進(jìn)程寫(xiě)入數(shù)據(jù)并將其喚醒。

??

當(dāng)進(jìn)程從臨界區(qū)中退出后會(huì)釋放互斥鎖。

?

最后，為了防止reader進(jìn)程是因?yàn)槭盏叫盘?hào)量而退出，再給睡眠的writer進(jìn)程一次機(jī)會(huì)，檢查do_wakeup，如果為1就喚醒睡眠的writer進(jìn)程。

●?????pipe_write(fs/pipe.c)

首先，與pipe_read相同，pipe_write采用互斥鎖對(duì)臨界區(qū)進(jìn)行保護(hù)。寫(xiě)操作也放在死循環(huán)中，退出條件也與read相同。

與pipe_read不同，writer進(jìn)程不總是睡眠等待，在調(diào)用pipe_wait進(jìn)行睡眠后，如果有read進(jìn)程讀走某些數(shù)據(jù)，write進(jìn)程會(huì)隨時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux进程间通信分类 以及 pipe的原理实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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