管道

匿名管道「|」

ps auxf | grep mysql

上面这种管道是没有名字，所以「|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁

命名管道(mkfifo)

mkfifo myPipe

myPipe 就是这个管道的名称，基于 Linux 一切皆文件的理念，所以管道也是以文件的方式存在，我们可以用 ls 看一下，这个文件的类型是 p，也就是 pipe（管道） 的意思

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ls -l
prw-r--r--. 1 root root 0 Jul 17 02:45 myPipe

接下来，我们往 myPipe 这个管道写入数据

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echo "hello" > myPipe  // 将数据写进管道
                       // 阻塞...

因为管道里的内容没有被读取，只有当管道里的数据被读完后，命令才可以正常退出

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cat < myPipe  // 读取管道里的数据
hello

优缺点：

  • 优点：自然就是简单，同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了
  • 缺点：通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据

原理

匿名管道的创建，需要通过下面这个系统调用

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int pipe(int fd[2])

这里表示创建一个匿名管道，并返回了两个描述符，一个是管道的读取端描述符 fd[0]，另一个是管道的写入端描述符 fd[1]。注意，这个匿名管道是特殊的文件，只存在于内存，不存于文件系统中

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所谓的管道，就是内核里面的一串缓存。我们可以使用 fork 创建子进程，创建的子进程会复制父进程的文件描述符，这样就做到了两个进程各有两个 fd[0] 与 fd[1]，两个进程就可以通过各自的 fd 写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了

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管道只能一端写入，另一端读出，所以上面这种模式容易造成混乱，因为父进程和子进程都可以同时写入，也都可以读出。那么，为了避免这种情况，通常的做法是： 父进程关闭读取的 fd[0]，只保留写入的 fd[1]； 子进程关闭写入的 fd[1]，只保留读取的 fd[0]

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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

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消息队列

消息队列克服了管道通信的数据是无格式的字节流的问题，消息队列实际上是保存在内核中的消息链表（内核是共享的），消息队列的消息体可以是用户自定义的数据类型。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），当接收方接受数据时，也要与发送方的数据类型一样

缺点：

  • 通信不及时，因为每次数据的写入和读取都需要经过用户态和内核态的拷贝过程
  • 不适合大数据的传输，因为内核中的消息体都有一个最大长度的限制，同时所有队列包含的消息体也是有上限的

共享内存

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，大大提高了进程间通信的速度

优缺点：

  • 优点：不需要陷入内核态或者系统调用，也不需要拷贝数据
  • 缺点：多进程竞争同一个资源会造成数据的错乱

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信号量

对于共享内存的多进程竞争资源，而造成数据错乱的问题。信号量可以解决

信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据

信号量表示资源的数据，有两种操作：

  • 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
  • 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
  • 总的来说，操作后：如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；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

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

共享和互斥的实现方式：

  • 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
  • 如果要实现多进程同步的方式，我们可以初始化信号量为0

信号

信号跟信号量虽然名字相似度 66.66%，但两者用途完全不一样，就好像 Java 和 JavaScript 的区别

在 Linux 操作系统中， 为了响应各种各样的事件，提供了几十种信号，分别代表不同的意义。我们可以通过 kill -l 命令，查看所有的信号：

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运行在 shell 终端的进程，我们可以通过键盘输入某些组合键的时候，给进程发送信号。例如

  • Ctrl+C 产生SIGINT信号，表示终止该进程
  • Ctrl+Z 产生SIGTSTP信号，表示停止该进程，但还未结束

如果进程在后台运行，可以通过 kill 命令的方式给进程发送信号，但前提需要知道运行中的进程 PID 号，例如： kill -9 1050 ，表示给 PID 为 1050 的进程发送 SIGKILL 信号，用来立即结束该进程

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，因为可以在任何时候发送信号给某一进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式

  • 执行默认操作： Linux对每种信号都做了默认操作，比如列表中的SIGTERM信号，就是终止进程的意思
  • 捕捉信号：我们可以定义信号是一个信号处理函数，当信号发生的时候就执行对应的函数
  • 忽略信号：当我们不希望处理信号的时候就可以忽略，但有两个是不能捕捉和忽略的，分别是SIGKILL和SEGSTOP，分别表示任何时候中断或者结束某一进程

Socket

socket函数

int socket(int domain, int type, int protocal)

socket参数意义：

  • domain：用来指定协议族，比如 AF_INET 用于 IPV4、AF_INET6 用于 IPV6、AF_LOCAL/AF_UNIX 用于本机
  • type：参数用来指定通信特性，比如 SOCK_STREAM 表示的是字节流，对应 TCP、SOCK_DGRAM 表示的是数据报，对应 UDP、SOCK_RAW 表示的是原始套接字
  • protocal：参数原本是用来指定通信协议的，但现在基本废弃。因为协议已经通过前面两个参数指定完成，protocol 目前一般写成 0 即可

根据创建 socket 类型的不同，通信的方式也就不同：

  • 实现 TCP 字节流通信： socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM
  • 实现 UDP 数据报通信：socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM
  • 实现本地进程间通信： 「本地字节流 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM，「本地数据报 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外，AF_UNIX 和 AF_LOCAL 是等价的，所以 AF_UNIX 也属于本地 socket

针对 TCP 协议通信的 socket 编程模型

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  • bind：服务端用于将把用于通信的地址和端口绑定到 socket 上
  • 这里需要注意的是，服务端调用 accept 时，连接成功了会返回一个已完成连接的 socket，后续用来传输数据。所以，监听的 socket 和真正用来传送数据的 socket，是「两个」 socket，一个叫作监听 socket，一个叫作已完成连接 socket

针对 UDP 协议通信的 socket 编程模型

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UDP 是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要像 TCP 调用 listen 和 connect，但是 UDP 的交互仍然需要 IP 地址和端口号，因此也需要 bind

针对本地进程间通信的 socket 编程模型

本地字节流 socket 和 本地数据报 socket 在 bind 的时候，不像 TCP 和 UDP 要绑定 IP 地址和端口，而是绑定一个本地文件，这也就是它们之间的最大区别