我们在Linux信号基础中已经说明,信号可以看作一种粗糙的进程间通信(IPC, interprocess communication)的方式,用以向进程封闭的内存空间传递信息。为了让进程间传递更多的信息量,我们需要其他的进程间通信方式。这些进程间通信方式可以分为两种:
管道与FIFO文件一个原始的IPC方式是所有的进程通过一个文件交流。比如我在纸(文件)上写下我的名字和年纪。另一个人读这张纸,会知道我的名字和年纪。他也可以在同一张纸上写下他的信息,而当我读这张纸的话,同样也可以知道别人的信息。但是,由于硬盘读写比较慢,所以这个方式效率很低。那么,我们是否可以将这张纸放入内存中以提高读写速度呢? 在Linux文本流中,我们已经讲解了如何在shell中使用管道连接多个进程。同样,许多编程语言中,也有一些命令用以实现类似的机制,比如在Python子进程中使用Popen和PIPE,在C语言中也有popen库函数来实现管道 (shell中的管道就是根据此编写的)。管道是由内核管理的一个缓冲区(buffer),相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入,这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大,它被设计成为环形的数据结构,以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话,从管道中读取的进程会等待,直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候,尝试放入信息的进程会等待,直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候,管道也自动消失。
由于基于fork机制,所以管道只能用于父进程和子进程之间,或者拥有相同祖先的两个子进程之间 (有亲缘关系的进程之间)。为了解决这一问题,Linux提供了FIFO方式连接进程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)。 FIFO (First in, First out)为一种特殊的文件类型,它在文件系统中有对应的路径。当一个进程以读(r)的方式打开该文件,而另一个进程以写(w)的方式打开该文件,那么内核就会在这两个进程之间建立管道,所以FIFO实际上也由内核管理,不与硬盘打交道。之所以叫FIFO,是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构,最早放入的数据被最先读出来(好像是传送带,一头放货,一头取货),从而保证信息交流的顺序。FIFO只是借用了文件系统(file system, 参考Linux文件管理背景知识)来为管道命名。写模式的进程向FIFO文件中写入,而读模式的进程从FIFO文件中读出。当删除FIFO文件时,管道连接也随之消失。FIFO的好处在于我们可以通过文件的路径来识别管道,从而让没有亲缘关系的进程之间建立连接。
传统IPC这几种传统IPC实际上有很悠久的历史,所以其实现方式也并不完善 (比如说我们需要某个进程负责删除建立的IPC)。一个共同的特征是它们并不使用文件操作的API。对于任何一种IPC来说,你都可以建立多个连接,并使用键值(key)作为识别的方式。我们可以在一个进程中中通过键值来使用的想要那一个连接 (比如多个消息队列,而我们选择使用其中的一个)。键值可以通过某种IPC方式在进程间传递(比如说我们上面说的PIPE,FIFO或者写入文件),也可以在编程的时候内置于程序中。 在几个进程共享键值的情况下,这些传统IPC非常类似于多线程共享资源的方式(参看Linux多线程与同步):
消息队列(message queue)与PIPE相类似。它也是建立一个队列,先放入队列的消息被最先取出。不同的是,消息队列允许多个进程放入消息,也允许多个进程取出消息。每个消息可以带有一个整数识别符(message_type)。你可以通过识别符对消息分类 (极端的情况是将每个消息设置一个不同的识别符)。某个进程从队列中取出消息的时候,可以按照先进先出的顺序取出,也可以只取出符合某个识别符的消息(有多个这样的消息时,同样按照先进先出的顺序取出)。消息队列与PIPE的另一个不同在于它并不使用文件API。最后,一个队列不会自动消失,它会一直存在于内核中,直到某个进程删除该队列。
多进程协作可以帮助我们充分利用多核和网络时代带来的优势。多进程可以有效解决计算瓶颈的问题。互联网通信实际上也是一个进程间通信的问题,只不过这多个进程分布于不同的电脑上。网络连接是通过socket实现的。由于socket内容庞大,所以我们不在这里深入。一个小小的注解是,socket也可以用于计算机内部进程间的通信。
总结PIPE, FIFO semaphore, message queue, shared memory; key (责任编辑:IT) |