Linux下進程間通信機制的探討許豪

陳可

摘 要：簡單介紹了Linux下的進程間通信機制，包括信號、管道、信號量、共享內(nèi)存、消息隊列，重點分析了信號和管道通信機制，包括信號通信機制的本質(zhì)、信號通信機制在代碼中的實現(xiàn)、利用信號傳遞數(shù)據(jù)的具體方法。此外，還總結了管道通信機制、信號量通信機制、消息隊列通信機制、共享內(nèi)存通信機制的特點、實現(xiàn)過程及其在編程過程中應重點關注的問題。

關鍵詞：進程間通信；信號；信號量；通信機制

中圖分類號：TP316.81 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.083

本文主要介紹了Linux下進程間通信機制的發(fā)展歷史、分類以及每一種進程間通信機制的特點、適用場景等。從單個操作系統(tǒng)的內(nèi)部看，Linux下的進程間通信機制有信號、管道、信號量、共享內(nèi)存、消息隊列。在以上進程間通信機制中，信號和管道是最古老的進程間通信機制。這兩種進程間通信機制是Linux操作系統(tǒng)直接從UNIX操作系統(tǒng)繼承過來的。

1 信號通信機制

信號通信機制比較特殊，類似于異步軟中斷。如果兩個進程利用信號通信，則必須具備1個信號發(fā)送進程和1個信號接收進程。

可以調(diào)用kill函數(shù)和sigqueue函數(shù)完成信號的發(fā)送，并可在2個函數(shù)中分別指定信號發(fā)送至哪個進程、被發(fā)送信號的值。如果需要隨信號發(fā)送一些附加信息給信號接收程序，則只能采用sigqueue函數(shù)完成該操作。此時，會將附加信息存儲在sigqueue函數(shù)的第三個參數(shù)中，該參數(shù)中的信息會隨著信號一起發(fā)送至信號接收進程。

接收信號進程需要調(diào)用signal函數(shù)或sigaction函數(shù)來安裝信號，即規(guī)定當前進程接收到信號后去完成怎樣的任務。通常情況下，這些任務會封裝在1個函數(shù)中。如果接收進程通過signal函數(shù)安裝信號，則接收進程無法接收隨著信號傳遞而來的附加信息。如果需要接收隨著信號傳遞而來的附加信息，則需要調(diào)用sigaction函數(shù)完成信號的安裝。接收信號進程一旦接收到信號后，就會調(diào)用與該信號相關的函數(shù)，并執(zhí)行該函數(shù)內(nèi)部的代碼；函數(shù)代碼執(zhí)行完畢后，當前進程返回到原程序繼續(xù)執(zhí)行。該過程類似于當前進程陷入到一次中斷，中斷完畢后又恢復執(zhí)行的過程。

2 管道通信機制

管道通信機制又分為有名管道和匿名管道（無名管道）。有名管道相當于文件系統(tǒng)的文件之一，有正式的文件名稱，可通過ls命令在文件系統(tǒng)中查看該文件。當兩個進程利用有名管道通信時，可先利用mkfifo函數(shù)創(chuàng)建1個有名管道文件，然后在讀、寫進程中分別打開該文件進行讀、寫操作即可。該過程類似于操作普通文件。匿名管道通信機制沒有有名管道通信機制靈活，其僅適用于具有血緣關系的進程間通信，即父子進程、兄弟進程。匿名管道類似于當前進程的資源之一，當前進程結束后，匿名管道會隨之消亡。如果父子進程利用匿名管道通信，則父進程必須在調(diào)用fork函數(shù)創(chuàng)建子進程前，先調(diào)用pipe函數(shù)創(chuàng)建匿名管道。此時，子進程才能從父進程繼承同一個匿名管道的相關信息。其中，最重要的部分是匿名管道的讀、寫端口，其文件描述符在pipe函數(shù)調(diào)用成功后就已生成。讀進程只能通過讀端口文件描述符從管道文件中讀取數(shù)據(jù)，寫端口只能通過寫端口文件描述符向管道文件中寫入數(shù)據(jù)。如果操作錯誤，則程序會出錯并返回。

除了管道和信號外，還有信號量、消息隊列和共享內(nèi)存三種System V進程間通信機制。從代碼層面看，這些進程間通信機制有很多類似之處，但從實現(xiàn)的層面看，三者是有區(qū)別的。

3 消息隊列通信機制

消息隊列通信機制一般用于信息量較小的進程間通信。消息隊列通信機制是通過在內(nèi)存中創(chuàng)建1個隊列來讓2個進程完成通信的。發(fā)送消息的進程會先調(diào)用msgget函數(shù)創(chuàng)建1個消息隊列，然后通過msgsnd函數(shù)將消息發(fā)送到消息隊列中；接收消息的進程會先調(diào)用同樣的函數(shù)msgget，但此時msgget函數(shù)表示打開現(xiàn)有的消息隊列，接收進程中的msgget函數(shù)參數(shù)必須與發(fā)送進程中的msgget函數(shù)參數(shù)一致，接收進程打開消息隊列后，會直接調(diào)用msgrcv函數(shù)，從而從消息隊列中獲取消息。

4 共享內(nèi)存通信機制

當多個進程需要共享、傳遞大量數(shù)據(jù)時，往往會采用共享內(nèi)存通信機制。共享內(nèi)存是進程間通信機制中效率最高的一種。寫進程時，只需要調(diào)用shmget函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存，再調(diào)用shmat函數(shù)將創(chuàng)建的共享內(nèi)存映射到自身的邏輯地址空間后，相關人員就可直接操作這塊內(nèi)存區(qū)域；讀進程時，其代碼與寫進程代碼類似，但讀進程中shmget函數(shù)的參數(shù)必須與寫進程中shmget函數(shù)中的參數(shù)一致。讀、寫進程利用共享內(nèi)存通信完畢后，需要分別調(diào)用shmdt函數(shù)，以解除共享內(nèi)存和各自邏輯地址空間的映射關系。

5 信號量通信機制

信號量通信機制比較特殊，因為進程不能通過信號量傳遞數(shù)據(jù)，信號量僅能表示當前與該信號量相關資源的數(shù)量。通過控制信號量，能控制多個進程的資源共享過程。創(chuàng)建信號量集合可用semget函數(shù)，從而可確定信號量集合中信號量的個數(shù)；通過semop函數(shù)可對信號量進行增加或減少操作，并通過semctl函數(shù)可完成對信號量值及其他屬性的操作。

6 結束語

綜上所述，Linux操作系統(tǒng)中的5種進程間通信機制各有特點，在代碼實現(xiàn)的過程中，需要具體問題具體分析。只有這樣，才能提高Linux下進程間通信的效率。

參考文獻

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[2]楊水清.精通ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

〔編輯：張思楠〕