[系统运维]操作系统之进程通信

概述

进程通信是指进程之间的信息交换。

在进程同步之中，也需要进程间交换一些信息，所以也可以归入进程通信中，但只能称为低级的进程通信。因为进程同步间的消息交换效率低、对用户不透明。
在进程间要传送大量数据的时候，可以使用OS提供的高级通信工具，该工具的最主要特点是：使用方便、高效。

进程通信的类型

目前，高级通信机制可归结为四大类：共享存储器系统、管道通信系统、消息传递系统以及客户机-服务器系统。

共享存储器系统

在共享存储器系统中，相互通信的进程共享某些数据结构或共享存储区，进程间能够通过这些空间进行通信。因此也可以根据共享的内容划分成以下两种类型：

1. 基于共享数据结构的通信方式：要求进程公用某些数据结构，借此实现进程间的信息交换，如生产者—消费者问题的有界缓冲区。操作系统仅提供共享存储器，由程序员负责对公用数据结构的设置及对进程间同步的处理。 这种通信方式仅适合传递相对较少的数据，通信效率低下，属于低级通信。
2. 基于共享存储区的通信方式：为了加粗样式，在内存中划出了一块共享存储区域，各个进程可以通过对该共享区进行读写，实现通信，数据的形式和位置甚至访问控制都是由进程负责，而不是OS。当读写完成，不再需要的时候，将其归还给共享存储区。属于高级的通信方式。

管道(pipe)通信系统

管道：指用于连接一个读进程和一个写进程，以实现它们之间通信的一个共享文件，又名pipe文件。

向管道（共享文件）提供输入的发送过程（写进程）以字符流形式将大量的数据送入管道；而接受管道输入的接受进程（读进程）则从管道中接受数据。由于发送进程和接收进程是利用管道进行通信，故又称管道通信。

为了协调双方的通信，管道机制必须提供以下三方面的协调能力：互斥、同步、确定对方是否存在（确定存在才能通信）

消息传递系统

该机制，进程不必借助任何共享存储区或数据结构，而是以格式化的消息为单位，将通信的数据封装在消息中，并利用操作系统提供的一组通信命令（原语），在进程间进行消息传递，完成进程间的数据交换。该方式属于高级通信方式。

该方式隐藏了通信细节，使通信过程对用户透明化，降低通信程序的复杂性和错误率，称为当前应用最广泛的一类进程间的通信机制。例如：计算机网络中的格式化消息为报文。

其实现方式有两种：
（1）直接通信方式：指发送进程利用OS所提供的发送原语，直接把消息发送给目的进程。

1. 直接通信原语：
   1.1 对称寻址方式：要求发送进程和接收进程必须以显式方式提供对方的标识符。
   send(receiver,message); 发送一个消息给接收进程
   receive(sender,message); 接收Sender发来的消息
   1.2 非对称寻址方式：某些情况，接收进程可能需要与多个发送进程通信，无法事先指定发送进程，因此这种方式接收进程原语不需要命名发送线程。
   send(P,message); 发送一个消息给进程P
   receive(id,message); 接收任何进程的消息
2. 消息格式：定长、不定长
3. 进程的同步方式：有三种，发送进程和接收进程都阻塞直到有消息；发送进程不阻塞，接收进程阻塞；发送进程和接收进程均不阻塞，仅当发生某事件使它无法继续运行时才阻塞等待。
4. 通信链路：在发送进程和接收进程两者间建立一条通信链路。

（2）间接通信方式：指发送和接收进程，都通过共享中间实体（邮箱）的方式进行消息的发送和接收，完成进程间的通信。

• 信箱通信：通过某种中间实体来完成进程通信。在公用缓冲区上暂存发送进程发送的消息，接收进程可以从该中间实体取出消息，该中间实体称为邮箱。每个邮箱都有一个唯一标识符。消息在邮箱中可以安全的保存，只允许核准的目标用户随机读取。
  邮箱的类型：
  ① 私用邮箱：用户进程自己创建，并作为进程的一部分，邮箱拥有者从邮箱中读取消息，其他用户只能发送消息到该邮箱，可采用单向链路的邮箱实现。
  ② 共享邮箱：由某进程创建，创建时指出共享进程的名字。邮箱拥有者和共享者都能够取走发送给自己的消息
  ③ 公用邮箱：由操作系统创建，并提供给系统中所有核准进程使用。可读可发送，应该采用双向通信链路的邮箱来实现。

客户机-服务器系统

该机制是网络环境的各种应用领域当前主流的通信实现机制，主要实现放肆有：套接字、远程过程调用和远程方法调用。

套接字

一个套接字就是一个通信标识类型的数据结构，包含了通信目的地址、通信使用的端口号、通信网络的传输层协议、进程所在的网络地址，以及针对客户或服务器程序提供的不同系统调用等，是进程通信和网络通信的基本构建。

套接字是为客户/服务器模型设计的，通常包括两类：

1. 基于文件型：通信进程都运行在同一台机器的环境中，一个套接字关联到一个特殊的本地文件，通信双方通过对这个特殊文件的读写实现通信，原理类似管道。
2. 基于网络型：该类型通常采用的是非对称方式通信，即发送者需要提供接受者命名。通信双方的进程运行在不同主机的网络环境下。
   工作过程：一般地，发送进程（客户端）发出连接请求时，随机申请一个套接字，主机为之分配一个端口，与该套接字绑定，不再分配给其它进程。接收进程（服务端）拥有全局公认的套接字和指定的端口（如ftp服务器-21，http服务器80等），并通过监听端口等待客户请求。因此任何进程都可以向它发出连接请求和信息请求，以便进程之间通信连接的建立。
   接收进程一旦收到请求，就接收来自发送进程的连接，完成连接，即在主机间传输的数据可以准确地发送到通信进程，实现进程间的通信；当通信结束时，系统通过关闭接收进程的套接字撤销连接

套接字的优势在于，不仅使用与一台计算机内部的进程通信，也适用于网络环境中不同计算机间的进程通信。并且每个套接字拥有唯一的套接字号，确保了通信双方之间逻辑链路的唯一性。

远程过程调用和远程方法调用

远程过程（函数）调用 RPC：是一个通信协议，用于通过网络连接的系统。该协议允许运行于一台主机（本地）系统上的进程，调用另一台主机（远程）系统上的进程（例如在公司，远程调用关闭家里的空调），而对程序员表现为常规的过程调用，无需额外地为此编程。如果涉及的软件采用面向对象编程，那么远程过程调用也可称作远程方法调用。

负责处理远程过程调用的进程有两个，一个是本地客户进程，另一个是远程服务器进程，这两个进程通常也被称为网络守护进程，主要负责在网络间的消息传递，一般情况下，这两个进程都是处于阻塞状态，等待消息。

为了实现RPC的透明性，即就像调用本地过程一样，RPC引入一个存根的概念：在本地客户端，每个能够独立运行的远程过程都拥有一个客户存根，本地进程调用远程过程实际是调用该过程关联的存根，即调用的时候将控制权转移给存根，让存根来执行。

本文为《计算机操作系统》第四版 学习笔记+个人总结