程序作為人類的發明，自然也免不了脫離人類的習性，也有通信的需求。如果程序之間不進行任何通信，那麼程序所能完成的任務就要大打折扣。人類的通信方式無外乎對白（通過聲音溝通）、打手勢、寫信、發電報、擁抱等方法。同理，程序也可以通過同樣的方式來進行通信。本篇我們就來看看程序的這些互動方式。
程序作為人類的發明，自然也免不了脫離人類的習性，也有通信的需求。如果程序之間不進行任何通信，那麼程序所能完成的任務就要大打折扣。人類的通信方式無外乎對白（通過聲音溝通）、打手勢、寫信、發電報、擁抱等方法。同理，程序也可以通過同樣的方式來進行通信。本篇我們就來看看程序的這些互動方式。
一、程序對白：管道、套接字
人們最常用的通信手段就是對白，一方發出聲音，另一方接收聲音。而聲音的傳遞需要通過一些媒體，例如：空氣（face to face）、線纜（有線電話）等。類似的，程序對白就是一個程序發出某種資料資訊，另外一方接收資料資訊，而這些資料資訊通過一片共享的存儲空間進行傳遞。
1.1 管道
一個程序向存儲空間的一端寫入資訊，另一個程序存儲空間的另外一端讀取資訊，這個就是管道。就像兩個人對白的媒介是空氣也可以是線纜一樣，管道所占的空間既可以是記憶體也可以是磁盤。
要建立一個管道，一個程序隻需要調用管道建立的系統調用即可，該系統調用所做的事情就是在某種存儲媒體上劃出一片空間，賦給其中一個程序寫的權利，另一個程序讀的權利即可。
例如在Linux下，我們通過Shell指令輸入兩個指令，中間通過符号“|”來建立兩個指令之間的管道：
$ sort < file1 | grep zou 上面一個指令表示：對file1的内容首先進行排序，排序完成後的結果将作為grep的輸入，在結果裡面找出所有包括字元串zou的文本行。也就是說，在兩個任務“排序“（sort）和”查找”（grep）之間建立了一個管道，資料從sort流向了grep。
1.2 套接字
套接字（Socket）的功能非常強大，可以支援不同層面、不同應用、跨網絡的通信。使用套接字進行通信需要雙方均建立一個套接字，其中一方作為伺服器方，另外一方作為客戶方。伺服器方必須首先建立一個服務區套接字，然後在該套接字上進行監聽，等待遠方的連接配接請求。客戶方也要建立一個套接字，然後向伺服器方發送連接配接請求。伺服器套接字在受到連接配接請求之後，将在伺服器方機器上建立一個客戶套接字，與遠方的客戶方套接字形成點到點的通信通道。之後，客戶方和伺服器友善可以直接通過類似于send和recv的指令在這個建立的套接字管道上進行交流了。
例如，在C#中我們可以輕松地建立一個伺服器方的Socket：
// 建立Socket->綁定IP與端口->設定監聽隊列的長度->開啟監聽連接配接
socketWatch = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
socketWatch.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(txtIPAddress.Text), int.Parse(txtPort.Text)));
socketWatch.Listen(10); 1.3 不足之處
（1）必須首先在通信的程序間建立連接配接（管道或套接字），這需要消耗系統資源；
（2）通信是自願的，而管道和套接字需要強制雙方進行通信；
（3）由于建立連接配接需要消耗時間，一旦建立就應該盡可能多的通信，如果通信資訊量很小，則就是“殺雞用牛刀”了；
二、程序電報與旗語：信号與信号量
2.1 電報：信号
信号類似于我們生活中的電報，如果你想給某人發一封電報，就拟好電文，然後将封包和收報人的資訊都交給電報公司。電報公司則将電報發送到收報人所在地的郵局，并通知收報人來取電報。其中，發封包時無需收報人實作知道，也無需進行任何協調。如果對方選擇不對信号做出響應，則将被OS終止運作。
在計算機中，信号就是一個核心對象或者是一個核心資料結構。發送方将該資料結構的内容填好，并指明該信号的目标程序後，發出特定的軟體中斷（這就是一個發電報的操作）。OS接收到特定的中斷請求後，知道是有程序要發送信号，于是到特定的核心資料結構裡查找信号接收方，并進行通知。接到通知的程序則對信号進行相應處理。
2.2 旗語：信号量
信号量來源于鐵路的運作：在一條單軌鐵路上，任何時候隻允許有一列火車行駛在該鐵路上，而管理這條鐵路的系統就是信号量。任何一列火車必須等到表明該鐵路可以行駛的信号後才能進入軌道。當列車進入後，需要将信号改為禁止狀态進入來防止别的列車同時進入。而當列車駛出單軌後，則需要将信号變回允許進入狀态，這很像以前的旗語。當然，通過聯想到我們實際開發中經常用的鎖，這就更容易了解了。
在計算機中，信号量實際上就是一個簡單整數。一個程序在信号變為0或1的情況下推進，并将信号變為1或0來防止别的程序同時推進。當該程序完成任務後，則将信号再改為0或1，進而允許其他程序執行。進而我們也可以看出，信号量已經不隻是一種通信機制，更是一種同步機制。
三、程序擁抱：共享記憶體
前面通過對話、發電報、旗語已經滿足了多種通信需要，但是當兩個程序要共享大量資料時就沒法十分滿足需求。就如同兩個墜入愛河的騷年，它們互相喜歡并想要在一起同居（共享大量資料），這時打電話、發電報、握手對話就顯得不夠了。這時候，它們需要的就是擁抱，隻有緊緊擁抱才能盡可能地共享，feeling so good!
3.1 共享記憶體
程序的擁抱就是共享記憶體，兩個程序共同擁有同一片記憶體。對于這片記憶體中的任何内容，二者均可以通路。要使用共享記憶體進行通信，程序A首先需要建立一片記憶體空間作為通信用，而其他程序B則将片記憶體映射到自己的（虛拟）位址空間。這樣，程序A讀寫自己位址空間中對應共享記憶體的區域時，就是在和程序B進行通信。
3.2 不足之處
（1）使用共享記憶體機制通信的兩個程序必須在同一台實體機上；
（2）安全性脆弱，假如一個程序有病毒，會很容易傳給另外一個程序；
四、信件發送：消息隊列
消息隊列是一列具有頭和尾的消息排列，新來的消息放在隊列尾部，而讀取消息則從隊列頭部開始，如下圖所示：
這樣看來，它和管道十分類似，一頭讀，一頭寫？的确，看起來很像管道，但又不是管道：
（1）消息隊列無固定的讀寫程序，任何程序都可以讀寫；而管道需要指定誰讀和誰寫；
（2）消息隊列可以同時支援多個程序，多個程序可以讀寫消息隊列；即所謂的多對多，而管道是點對點；
（3）消息隊列隻在記憶體中實作，而管道還可以在磁盤上實作；
參考資料
鄒恒明，《作業系統之哲學原理》，機械工業出版社
作者：周旭龍
出處：http://edisonchou.cnblogs.com
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