Linux程序間通信各種方式的總結

一個大型的應用系統，往往需要衆多程序協作，程序間通信的重要性顯而易見。本系列文章闡述了Linux環境下的幾種主要程序間通信手段，并針對每個通信手段關鍵技術環節給出詳細執行個體。為達到闡明問題的目的，本文還對某些通信手段的内部實作機制進行了分析。

序：

Linux下的程序通信手段基本上是從Unix平台上的程序通信手段繼承而來的。而對Unix發展做出重大貢獻的兩大主力AT&T的貝爾實驗室及BSD（加州大學伯克利分校的伯克利軟體釋出中心）在程序間通信方面的側重點有所不同。前者對Unix早期的程序間通信手段進行了系統的改進和擴充，形成了“system V IPC”，通信程序局限在單個計算機内；後者則跳過了該限制，形成了基于套接口（socket）的程序間通信機制。Linux則把兩者繼承了下來，如圖示：

其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号；

System V IPC包括：System V消息隊列、System V信号燈、System V共享記憶體區；

Posix IPC包括：Posix消息隊列、Posix信号燈、Posix共享記憶體區。

有兩點需要簡單說明一下：

1）由于Unix版本的多樣性，電子電氣工程協會（IEEE）開發了一個獨立的Unix标準，這個新的ANSI Unix标準被稱為計算機環境的可移植性作業系統界面（POSIX）。現有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标準的，而Linux從一開始就遵循POSIX标準；

2）BSD并不是沒有涉足單機内的程序間通信（socket本身就可以用于單機内的程序間通信）。事實上，很多Unix版本的單機IPC留有BSD的痕迹，BSD支援的匿名記憶體映射、BSD對可靠信号語義的實作等等。

圖一給出了linux 所支援的各種IPC手段，在本文接下來的讨論中，為了避免概念上的混淆，在盡可能少提及Unix的各個版本的情況下，所有問題的讨論最終都會歸結到Linux環境下的程序間通信上來。并且，對于Linux所支援通信手段的不同實作版本（如對于共享記憶體來說，有Posix共享記憶體區以及System V共享記憶體區兩個實作版本），将主要介紹Posix API。

Linux下程序間通信的幾種主要手段簡介：

1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有親緣關系程序間的通信，有名管道克服了管道沒有名字的限制，是以，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關系程序間的通信；

2. 信号（Signal）：信号是比較複雜的通信方式，用于通知接受程序有某種事件發生，除了用于程序間通信外，程序還可以發送信号給程序本身；Linux除了支援Unix早期信号語義函數sigal外，還支援語義符合Posix.1标準的信号函數sigaction（實際上，該函數是基于BSD的，BSD為了實作可靠信号機制，又能夠統一對外接口，用sigaction函數重新實作了signal函數）；

3. 封包（Message）隊列（消息隊列）：消息隊列是消息的連結表，包括Posix消息隊列system V消息隊列。有足夠權限的程序可以向隊列中添加消息，被賦予讀權限的程序則可以讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信号承載資訊量少，管道隻能承載無格式位元組流以及緩沖區大小受限等缺點。

4. 共享記憶體：使得多個程序可以通路同一塊記憶體空間，是最快的可用IPC形式。是針對其他通信機制運作效率較低而設計的。往往與其它通信機制，如信号量結合使用，來達到程序間的同步及互斥。

5. 信号量（semaphore）：主要作為程序間以及同一程序不同線程之間的同步手段。

6. 套接口（Socket）：更為一般的程序間通信機制，可用于不同機器之間的程序間通信。起初是由Unix系統的BSD分支開發出來的，但現在一般可以移植到其它類Unix系統上：Linux和System V的變種都支援套接字。

各種通信方式的比較和優缺點：

# 管道( pipe )：管道是一種半雙工的通信方式，資料隻能單向流動，而且隻能在具有親緣關系的程序間使用。程序的親緣關系通常是指父子程序關系。此外，管道的緩沖區是有限的（管道制存在于記憶體中，在管道建立時，為緩沖區配置設定一個頁面大小）；管道所傳送的是無格式位元組流，這就要求管道的讀出方和寫入方必須事先約定好資料的格式，比如多少位元組算作一個消息（或指令、或記錄）等等。

# 有名管道 (named pipe，FIFO) ： 有名管道也是半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關系程序間的通信。

# 信号量( semophore ) ： 信号量是一個計數器，可以用來控制多個程序對共享資源的通路。它常作為一種鎖機制，防止某程序正在通路共享資源時，其他程序也通路該資源。是以，主要作為程序間以及同一程序内不同線程之間的同步手段。

# 消息隊列( message queue ) ： 消息隊列是由消息的連結清單，存放在核心中并由消息隊列辨別符辨別。消息隊列克服了信号傳遞資訊少、管道隻能承載無格式位元組流以及緩沖區大小受限等缺點。

# 信号 ( sinal ) ： 信号是一種比較複雜的通信方式，用于通知接收程序某個事件已經發生。

# 共享記憶體( shared memory ) ：共享記憶體就是映射一段能被其他程序所通路的記憶體，這段共享記憶體由一個程序建立，但多個程序都可以通路。共享記憶體是最快的 IPC 方式，它是針對其他程序間通信方式運作效率低而專門設計的。它往往與其他通信機制，如信号量，配合使用，來實作程序間的同步和通信。

# 套接字( socket ) ： 套解口也是一種程序間通信機制，與其他通信機制不同的是，它可用于不同機器間的程序通信。

附：

一般來說，linux下的程序包含以下幾個關鍵要素：

有一段可執行程式；

有專用的系統堆棧空間；

核心中有它的控制塊（程序控制塊），描述程序所占用的資源，這樣，程序才能接受核心的排程；

具有獨立的存儲空間

程序和線程有時候并不完全區分，而往往根據上下文了解其含義。