Linux内核-进程间通信组件的实现
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2020-11-06 06:36
作者：深度Linux
来源：SegmentFault 思否社区
Linux内核的五大组件
一、内存管理
二、进程管理
三、进程间通信
数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程； 资源共享：多个进程之间共享同样的资源； 通知事件：一个进程需要向另一个或者另一组进程发送消息，通知他们发生了某种事件。 进程控制：有些进程需要完全控制另一个进程的执行，此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。
关于System V标准的进程间通信主要有以下几类：
1. 管道
管道适用于进程间的数据传输。本质上管道是操作系统在内核中为进程开辟了一块缓冲区，多个进程通过访问同一缓冲区进行通信，数据在缓冲区中以读写的方式被不同进程获取和操作。
管道有三大特性：
1.生命周期随进程；
2.自带同步与互斥；
3.提供字节流服务。
管道主要分为匿名管道和命名管道
前面说了管道是操作系统为进程在内核中分配的一块缓冲区，匿名管道就是指这块缓冲区没有标识符，因此其他进程无法直接访问匿名管道，只有类似父子进程这样的具有亲缘关系的进程才能使用匿名管道进行通信(原因是子进程会复制父进程的PCB，其中包括这块信息)。匿名管道的创建使用如下接口：
int pipe(int fd[2])
匿名管道的特性是：
这些特性体现了管道自带同步与互斥。
命名管道和匿名管道相反，命名管道是有标识符的一块缓冲区，并且这个标识符一般是一个可见于文件系统的文件。所以命名管道是一个特殊类型的文件，其他进程可以通过这个标识符找到这块缓冲区，即通过打开同一个管道文件，访问到同一缓冲区，进而实现进程间通信。
创建一个命名管道既可以使用mkfifo filename命令也可以使用接口，函数接口如下：int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode)
命名管道的打开特性：
1.若管道文件以只读的方式打开，会阻塞，直到这个文件被以写的方式打开；
2.若管道文件以只写的方式打开，会阻塞，直到这个文件被以读的方式打开；
3.若文件以读写的方式打开，就不会阻塞。
不管是匿名还是命名管道，同查那个对管道进行的数据操作的大小不超过PIPE_BUF这个宏的大小，默认是4KB。
共享内存用于进程间的数据共享，是最快的进程间通信。共享内存的创建大概是以下步骤：首先，在物理内存中开辟一块空间，将这块物理内存映射到程序的虚拟地址空间，进程就可以通过虚拟地址来访问这块内存。多个进程映射到同一物理内存，这样进行通信的方式，不需要进入内核，只需要再共享的内存区进行操作即可。其他方式的通信都是因为内核中的缓冲区，进程在通信的时候会涉及内核态和用户态的两次数据拷贝。而共享内存不会所以速度更快。
共享内存的操作流程：
1.创建共享内存即开辟具有标识符的物理内存空间；
2.将共享内存映射到各个进程的虚拟地址空间；
3.直接通过虚拟地址进行对共享内存的操作；
4.解除映射；
5.释放共享内存。
int shmget(key_t key, int size, int flag) //创建一个共享内存
void* shmat(int shmid, void* addr, int flag) //建立映射
int shmdt(void* shmstart) //解除映射
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds* bf) //操作共享内存
//cmd参数为IC_RMID的时候是删除共享内存
需要注意的是共享内存自带没有同步与互斥。
消息队列用于进程间的数据传输（有标识符）
消息队列实际上就是内核中的一个优先级队列，多个进程通过向同一个队列中 添加 或者 获取 节点来实现通信。主要是传输一个有类型（优先级）的数据块。
特性：
2.生命周期随内核；
3.数据传输自带优先级。
信号量用于实现进程间的控制，主要是同步和互斥。
本质：内核中的一个计数器(对资源进行计数) + pcb等待队列
之前先获取信号量，计数 -1；若计数 <0 则使进程等待（将进程pcb加入队列中）；否则可
以对临界资源进行访问（并且在访问期间，已经将临界资源的状态置为不可访问状态，因此
可一保证其他进程不会再访问临界资源。当前进程访问完毕之后，则对计数进行+1，则唤醒
一个进程（将一个pcb出队，置为运行状态）
理；若计数小于 0，则表示不能获取（并且对计数进行 -1），需要等待（加入pcb队列）。
这时候若其他进程生产一个资源，则会对计数进行 +1，若计数 <= 0 ，则唤醒一个进程。
（负数表示正在等待进程的数量，如果为正说明没有进程需要资源）。
四、虚拟文件系统
五、网络接口
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