所以说如果需要双向通信,则应该创建两个管道。到这里,我们仅仅解析了使用管道进行父进程与子进程之间的通信,但是在我们 shell 里面并不是这样的。在 shell 里面执行 A | B命令的时候,A 进程和 B 进程都是 shell 创建出来的子进程,A 和 B 之间不存在父子关系,它俩的父进程都是 shell。所以说,在 shell 里通过「|」匿名管道将多个命令连接在一起,实际上也就是创建了多个子进程,那么在我们编写 shell 脚本时,能使用一个管道搞定的事情,就不要多用一个管道,这样可以减少创建子进程的系统开销。我们可以得知,对于匿名管道,它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体,也就是没有管道文件,只能通过 fork 来复制父进程 fd 文件描述符,来达到通信的目的。另外,对于命名管道,它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道,提前创建了一个类型为管道的设备文件,在进程里只要使用这个设备文件,就可以相互通信。不管是匿名管道还是命名管道,进程写入的数据都是缓存在内核中,另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取,同时通信数据都遵循先进先出原则,不支持 lseek 之类的文件定位操作。
消息队列
前面说到管道的通信方式是效率低的,因此管道不适合进程间频繁地交换数据。对于这个问题,消息队列的通信模式就可以解决。比如,A 进程要给 B 进程发送消息,A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了,B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理,B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。再来,消息队列是保存在内核中的消息链表,在发送数据时,会分成一个一个独立的数据单元,也就是消息体(数据块),消息体是用户自定义的数据类型,消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型,所以每个消息体都是固定大小的存储块,不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体,内核就会把这个消息体删除。消息队列生命周期随内核,如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统,消息队列会一直存在,而前面提到的匿名管道的生命周期,是随进程的创建而建立,随进程的结束而销毁。消息这种模型,两个进程之间的通信就像平时发邮件一样,你来一封,我回一封,可以频繁沟通了。但邮件的通信方式存在不足的地方有两点,一是通信不及时,二是附件也有大小限制,这同样也是消息队列通信不足的点。消息队列不适合比较大数据的传输,因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制,同时所有队列所包含的全部消息体的总长度也是有上限。在 Linux 内核中,会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB,它们以字节为单位,分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。消息队列通信过程中,存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销,因为进程写入数据到内核中的消息队列时,会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程,同理另一进程读取内核中的消息数据时,会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。
共享内存
消息队列的读取和写入的过程,都会有发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。那共享内存的方式,就很好的解决了这一问题。现代操作系统,对于内存管理,采用的是虚拟内存技术,也就是每个进程都有自己独立的虚拟内存空间,不同进程的虚拟内存映射到不同的物理内存中。所以,即使进程 A 和 进程 B 的虚拟地址是一样的,其实访问的是不同的物理内存地址,对于数据的增删查改互不影响。共享内存的机制,就是拿出一块虚拟地址空间来,映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西,另外一个进程马上就能看到了,都不需要拷贝来拷贝去,传来传去,大大提高了进程间通信的速度。
一个是 P 操作,这个操作会把信号量减去 -1,相减后如果信号量 < 0,则表明资源已被占用,进程需阻塞等待;相减后如果信号量 >= 0,则表明还有资源可使用,进程可正常继续执行。
另一个是 V 操作,这个操作会把信号量加上 1,相加后如果信号量 <= 0,则表明当前有阻塞中的进程,于是会将该进程唤醒运行;相加后如果信号量 > 0,则表明当前没有阻塞中的进程;
P 操作是用在进入共享资源之前,V 操作是用在离开共享资源之后,这两个操作是必须成对出现的。接下来,举个例子,如果要使得两个进程互斥访问共享内存,我们可以初始化信号量为 1。具体的过程如下:
进程 A 在访问共享内存前,先执行了 P 操作,由于信号量的初始值为 1,故在进程 A 执行 P 操作后信号量变为 0,表示共享资源可用,于是进程 A 就可以访问共享内存。
若此时,进程 B 也想访问共享内存,执行了 P 操作,结果信号量变为了 -1,这就意味着临界资源已被占用,因此进程 B 被阻塞。
直到进程 A 访问完共享内存,才会执行 V 操作,使得信号量恢复为 0,接着就会唤醒阻塞中的线程 B,使得进程 B 可以访问共享内存,最后完成共享内存的访问后,执行 V 操作,使信号量恢复到初始值 1。
可以发现,信号初始化为 1,就代表着是互斥信号量,它可以保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问,这就很好的保护了共享内存。另外,在多进程里,每个进程并不一定是顺序执行的,它们基本是以各自独立的、不可预知的速度向前推进,但有时候我们又希望多个进程能密切合作,以实现一个共同的任务。例如,进程 A 是负责生产数据,而进程 B 是负责读取数据,这两个进程是相互合作、相互依赖的,进程 A 必须先生产了数据,进程 B 才能读取到数据,所以执行是有前后顺序的。那么这时候,就可以用信号量来实现多进程同步的方式,我们可以初始化信号量为 0。具体过程:
如果进程 B 比进程 A 先执行了,那么执行到 P 操作时,由于信号量初始值为 0,故信号量会变为 -1,表示进程 A 还没生产数据,于是进程 B 就阻塞等待;
接着,当进程 A 生产完数据后,执行了 V 操作,就会使得信号量变为 0,于是就会唤醒阻塞在 P 操作的进程 B;