作者：Vamei

出处：http://www.cnblogs.com/vamei

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:

管道机制：可以使用管道将一个进程的输出和另一个进程的输入连接起来，从而利用文件操作API来管理进程间通信。在shell中，我们经常利用管道将多个进程连接在一起，从而让各个进程协作，实现复杂的功能。

传统IPC：主要是指消息队列(message queue)，信号量(semaphore)，共享内存(shared memory)。这些IPC的特点是允许多进程之间共享资源，这与多线程共享heap和global data相类似。由于多进程任务具有并发性 (每个进程包含一个进程，多个进程的话就有多个线程)，所以在共享资源的时候也必须解决同步的问题 (参考Linux多线程与同步)。

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。

从原理上，管道利用fork机制建立(参考Linux进程基础和Linux从程序到进程)，从而让两个进程可以连接到同一个PIPE上。最开始的时候，上面的两个箭头都连接在同一个进程Process 1上(连接在Process 1上的两个箭头)。当fork复制进程的时候，会将这两个连接也复制到新的进程(Process 2)。随后，每个进程关闭自己不需要的一个连接 (两个黑色的箭头被关闭; Process 1关闭从PIPE来的输入连接，Process 2关闭输出到PIPE的连接)，这样，剩下的红色连接就构成了如上图的PIPE。

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):

#：semaphore与mutex类似，用于处理同步问题。我们说mutex像是一个只能容纳一个人的洗手间，那么semaphore就像是一个能容纳N个人的洗手间。其实从意义上来说，semaphore就是一个计数锁，它允许被N个进程获得。当有更多的进程尝试获得semaphore的时候，就必须等待有前面的进程释放锁。当N等于1的时候，semaphore与mutex实现的功能就完全相同，一个semaphore会一直存在在内核中，直到某个进程删除它。

#：共享内存与多线程共享global data和heap类似。一个进程可以将自己内存空间中的一部分拿出来，允许其它进程读写。当使用共享内存的时候，我们要注意同步的问题。我们可以使用semaphore同步，也可以在共享内存中建立mutex或其它的线程同步变量来同步。由于共享内存允许多个进程直接对同一个内存区域直接操作，所以它是效率最高的IPC方式。

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。