操做系统核心原理-3.进程原理（下）：进程通讯

　　进程做为人类的发明，天然也免不了脱离人类的习性，也有通讯的需求。若是进程之间不进行任何通讯，那么进程所能完成的任务就要大打折扣。人类的通讯方式无外乎对白（经过声音沟通）、打手势、写信、发电报、拥抱等方法。同理，进程也能够经过一样的方式来进行通讯。本篇咱们就来看看进程的这些交互方式。

1、进程对白：管道、套接字

　　人们最经常使用的通讯手段就是对白，一方发出声音，另外一方接收声音。而声音的传递须要经过一些介质，例如：空气（face to face）、线缆（有线电话）等。相似的，进程对白就是一个进程发出某种数据信息，另一方接收数据信息，而这些数据信息经过一片共享的存储空间进行传递。

1.1 管道

　　一个进程向存储空间的一端写入信息，另外一个进程存储空间的另一端读取信息，这个就是管道。就像两我的对白的媒介是空气也能够是线缆同样，管道所占的空间既能够是内存也能够是磁盘。

　　要建立一个管道，一个进程只须要调用管道建立的系统调用便可，该系统调用所作的事情就是在某种存储介质上划出一片空间，赋给其中一个进程写的权利，另外一个进程读的权利便可。

　　例如在Linux下，咱们经过Shell命令输入两个命令，中间经过符号“|”来建立两个命令之间的管道：

$ sort < file1 | grep zou

　　上面一个命令表示：对file1的内容首先进行排序，排序完成后的结果将做为grep的输入，在结果里面找出全部包括字符串zou的文本行。也就是说，在两个任务“排序“（sort）和”查找”（grep）之间建立了一个管道，数据从sort流向了grep。

1.2 套接字

　　套接字（Socket）的功能很是强大，能够支持不一样层面、不一样应用、跨网络的通讯。使用套接字进行通讯须要双方均建立一个套接字，其中一方做为服务器方，另一方做为客户方。服务器方必须首先建立一个服务区套接字，而后在该套接字上进行监听，等待远方的链接请求。客户方也要建立一个套接字，而后向服务器方发送链接请求。服务器套接字在受到链接请求以后，将在服务器方机器上新建一个客户套接字，与远方的客户方套接字造成点到点的通讯通道。以后，客户方和服务器方即可以直接经过相似于send和recv的命令在这个建立的套接字管道上进行交流了。

　　例如，在C#中咱们能够轻松地建立一个服务器方的Socket：

    // 建立Socket->绑定IP与端口->设置监听队列的长度->开启监听链接
    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 不足之处

　　（1）必须首先在通讯的进程间创建链接（管道或套接字），这须要消耗系统资源；

　　（2）通讯是自愿的，而管道和套接字须要强制双方进行通讯；

　　（3）因为创建链接须要消耗时间，一旦创建就应该尽量多的通讯，若是通讯信息量很小，则就是“杀鸡用牛刀”了；

2、进程电报与旗语：信号与信号量

2.1 电报：信号

　　信号相似于咱们生活中的电报，若是你想给某人发一封电报，就拟好电文，而后将报文和收报人的信息都交给电报公司。电报公司则将电报发送到收报人所在地的邮局，并通知收报人来取电报。其中，发报文时无需收报人实现知道，也无需进行任何协调。若是对方选择不对信号作出响应，则将被OS终止运行。

　　在计算机中，信号就是一个内核对象或者是一个内核数据结构。发送方将该数据结构的内容填好，并指明该信号的目标进程后，发出特定的软件中断（这就是一个发电报的操做）。OS接收到特定的中断请求后，知道是有进程要发送信号，因而到特定的内核数据结构里查找信号接收方，并进行通知。接到通知的进程则对信号进行相应处理。

2.2 旗语：信号量

　　信号量来源于铁路的运行：在一条单轨铁路上，任什么时候候只容许有一列火车行驶在该铁路上，而管理这条铁路的系统就是信号量。任何一列火车必须等到代表该铁路能够行驶的信号后才能进入轨道。当列车进入后，须要将信号改成禁止状态进入来防止别的列车同时进入。而当列车驶出单轨后，则须要将信号变回容许进入状态，这很像之前的旗语。固然，经过联想到咱们实际开发中常常用的锁，这就更容易理解了。

　　在计算机中，信号量实际上就是一个简单整数。一个进程在信号变为0或1的状况下推动，并将信号变为1或0来防止别的进程同时推动。当该进程完成任务后，则将信号再改成0或1，从而容许其余进程执行。从而咱们也能够看出，信号量已经不仅是一种通讯机制，更是一种同步机制。

3、进程拥抱：共享内存

　　前面经过对话、发电报、旗语已经知足了多种通讯须要，可是当两个进程要共享大量数据时就无法十分知足需求。就如同两个坠入爱河的骚年，它们互相喜欢并想要在一块儿同居（共享大量数据），这时打电话、发电报、握手对话就显得不够了。这时候，它们须要的就是拥抱，只有牢牢拥抱才能尽量地共享，feeling so good!

3.1 共享内存

　　进程的拥抱就是共享内存，两个进程共同拥有同一片内存。对于这片内存中的任何内容，两者都可以访问。要使用共享内存进行通讯，进程A首先须要建立一片内存空间做为通讯用，而其余进程B则将片内存映射到本身的（虚拟）地址空间。这样，进程A读写本身地址空间中对应共享内存的区域时，就是在和进程B进行通讯。

3.2 不足之处

　　（1）使用共享内存机制通讯的两个进程必须在同一台物理机上；

　　（2）安全性脆弱，假如一个进程有病毒，会很容易传给另一个进程；

4、信件发送：消息队列

　　消息队列是一列具备头和尾的消息排列，新来的消息放在队列尾部，而读取消息则从队列头部开始，以下图所示：

　　这样看来，它和管道十分相似，一头读，一头写？的确，看起来很像管道，但又不是管道：

　　（1）消息队列无固定的读写进程，任何进程均可以读写；而管道须要指定谁读和谁写；

　　（2）消息队列能够同时支持多个进程，多个进程能够读写消息队列；即所谓的多对多，而管道是点对点；

　　（3）消息队列只在内存中实现，而管道还能够在磁盘上实现；

参考资料

邹恒明，《操做系统之哲学原理》，机械工业出版社

 

做者：周旭龙

出处：http://edisonchou.cnblogs.com

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