进程间通信和线程间通信总结

简介: 写在前面面试的时候一定不要疲劳战,比如上午面了一个,然后中午不休息直接赶到另外一个相距比较远的公司,影响状态。面试的时候一定不要紧张,不管对方有几个人,总之面试的时候做好充分准备,休息好,放松心态。好了,言归正传,开始总结。

写在前面

面试的时候一定不要疲劳战,比如上午面了一个,然后中午不休息直接赶到另外一个相距比较远的公司,影响状态。

面试的时候一定不要紧张,不管对方有几个人,总之面试的时候做好充分准备,休息好,放松心态。

好了,言归正传,开始总结。

【1】进程间通信方式


进程间通信又称IPC(Inter-Process Communication),指多个进程之间相互通信,交换信息的方法。根据进程通信时信息量大小的不同,可以将进程通信划分为两大类型:


低级通信,控制信息的通信(主要用于进程之间的同步,互斥,终止和挂起等等控制信息的传递)

高级通信,大批数据信息的通信(主要用于进程间数据块数据的交换和共享,常见的高级通信有管道,消息队列,共享内存等)。

IPC的方式通常有管道(包括无名管道和命名管道)、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。


① 管道(Pipe)及有名管道(named pipe)


管道通常指无名管道,是 UNIX 系统IPC最古老的形式,是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。


它可以看成是一种特殊的文件,对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件,并不属于其他任何文件系统,并且只存在于内存中。


当一个管道建立时,它会创建两个文件描述符:fd[0]为读而打开,fd[1]为写而打开。如下图:

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。


单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以,通常调用 pipe 的进程接着调用 fork,这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示:

20190216171147321.png

若要数据流从父进程流向子进程,则关闭父进程的读端(fd[0])与子进程的写端(fd[1]);反之,则可以使数据流从子进程流向父进程。


FIFO,也称为命名管道,它是一种文件类型。


FIFO可以在无关的进程之间交换数据,与无名管道不同。FIFO有路径名与之相关联,它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。


管道可用于具有亲缘关系进程间的通信,有名管道克服了管道没有名字的限制,因此,除具有管道所具有的功能外,它还允许无亲缘关系进程间的通信。


② 报文(Message)队列(消息队列)


消息队列是消息的链接表,包括Posix消息队列system V消息队列,存放在内核中并由消息队列标识符(即队列ID)标识。有足够权限的进程可以向队列中添加消息,被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少,管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。


特点如下:


消息队列是面向记录的,其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。

消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时,消息队列及其内容并不会被删除。

消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

③ 共享内存


共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式,它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号两,配合使用,来实现进程间的同步和通信。


④ 信号(Signal)


信号是比较复杂的通信方式,用于通知接受进程有某种事件发生,除了用于进程间通信外,进程还可以发送信号给进程本身。linux除了支持Unix早期信号语义函数signal外,还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction(实际上,该函数是基于BSD的,BSD为了实现可靠信号机制,又能够统一对外接口,用sigaction函数重新实现了signal函数)。


⑤ 信号量(semaphore)


信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享资源的访问。不是用于交换大批数据,而用于多线程之间的同步。常作为一种锁机制,防止某进程在访问资源时其它进程也访问该资源。因此,主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。


⑥ 套接口(Socket)


更为一般的进程间通信机制,可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的,但现在一般可以移植到其它类Unix系统上,Linux和System V的变种都支持套接字。


一般来说,linux下的进程包含以下几个关键要素:


  • 有一段可执行程序;
  • 有专用的系统堆栈空间;
  • 内核中有它的控制块(进程控制块),描述进程所占用的资源,这样,进程才能接受内核的调度;
  • 具有独立的存储空间


【2】线程间通信

线程间的通信目的主要是用于线程同步,所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。

① 锁机制

互斥锁、条件变量、读写锁和自旋锁。


互斥锁确保同一时间只能有一个线程访问共享资源。当锁被占用时试图对其加锁的线程都进入阻塞状态(释放CPU资源使其由运行状态进入等待状态)。当锁释放时哪个等待线程能获得该锁取决于内核的调度。


读写锁当以写模式加锁而处于写状态时任何试图加锁的线程(不论是读或写)都阻塞,当以读状态模式加锁而处于读状态时“读”线程不阻塞,“写”线程阻塞。读模式共享,写模式互斥。


条件变量可以以原子的方式阻塞进程,直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。


自旋锁上锁受阻时线程不阻塞而是在循环中轮询查看能否获得该锁,没有线程的切换因而没有切换开销,不过对CPU的霸占会导致CPU资源的浪费。 所以自旋锁适用于并行结构(多个处理器)或者适用于锁被持有时间短而不希望在线程切换产生开销的情况。


② 信号量机制(Semaphore)


包括无名线程信号量和命名线程信号量。线程的信号和进程的信号量类似,使用线程的信号量可以高效地完成基于线程的资源计数。信号量实际上是一个非负的整数计数器,用来实现对公共资源的控制。在公共资源增加的时候,信号量就增加;公共资源减少的时候,信号量就减少;只有当信号量的值大于0的时候,才能访问信号量所代表的公共资源。


③ 信号机制(Signal)

类似进程间的信号处理。


④ violate全局变量-共享内存


⑤ wait/notify

阻塞/唤醒,

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