Linux进程间通信方式对比

news2024/11/14 3:14:26

参考：

Linux进程间通信总结-百度开发者中心

Linux操作系统提供了多种进程间通信（IPC）的方式，每种方式都有其独特的应用场景和优缺点。下面将对Linux下的进程间通信方式进行总结和比较。

管道（Pipe）

管道是最早的进程间通信方式之一，它通过将一个进程的输出连接到另一个进程的输入来实现通信。管道可以分为匿名管道和有名管道两种。匿名管道只能在具有亲缘关系的进程之间使用，有名管道则可以在任意两个进程之间使用。

优点：

实现简单：管道是Linux操作系统自带的一种通信方式，使用起来比较简单。
无须第三方支持：管道不需要第三方软件的支撑，因此性能较高。

缺点：

通信能力有限：管道只能单向传输数据，且数据量较小，不适合传输大量数据。
通信双方必须事先存在：管道只能在具有亲缘关系的进程之间使用，且通信双方必须事先存在。

消息队列（Message Queue）

消息队列是一种基于消息的通信方式，它允许进程之间发送和接收消息。消息队列可以实现异步通信，即发送和接收消息的进程可以不同时运行。

优点：

支持异步通信：消息队列可以实现异步通信，提高系统的并发性能。
数据持久化：消息队列可以将数据持久化存储，保证数据的安全性。

缺点：

性能开销较大：消息队列需要维护消息的存储和转发，因此性能开销较大。
可能会引起死锁：在多进程访问同一个消息队列时，可能会引起死锁问题。

缺点：如果a给b发送的数据过大，并且通信频繁，那消息队列就不合适了，因为数据过大，a发送数据的时间长，b去拷贝数据花费时间也长，效率就会变低。
优点：管道一旦相关进程退出，那里面的数据也就没有了，但消息队列不一样，一个进程向里面写入数据后退出，另一个进程仍然可以取数据。

参考：https://www.cnblogs.com/feily/articles/14160817.html

消息队列不适合比较大数据的传输，因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制，同时所有队列所包含的全部消息体的总长度也是有上限。在 Linux 内核中，会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。

消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。

共享内存（Shared Memory）

共享内存允许多个进程共享一段内存空间，从而实现快速的数据交换。共享内存可以是全共享内存或段共享内存，其中全共享内存允许多个进程同时读写同一段内存空间，而段共享内存则只允许一个进程读写某一段内存空间。

优点：

速度快：共享内存允许多个进程直接访问同一段内存空间，因此速度非常快。
数据共享：共享内存可以实现多个进程之间的数据共享。

缺点：

同步问题：多个进程同时访问共享内存时，需要解决同步问题，以避免出现竞态条件。
可能导致死锁：在多进程访问共享内存时，可能会引起死锁问题。

针对消息队列的缺点，共享内存允许多个进程共享一个给定的存储区，由于他们是共享一块内存数据，减少了内存拷贝的时间，因此速度非常快。

但这里我们可能会问：每个进程不是独立的吗？怎么可以共享内存呢？

其实，系统加载一个进程时，分配给进程的内存并不是实际的物理内存，而是虚拟内存空间，我们可以让两个进程各自拿出一块虚拟地址空间来，然后映射到相同的物理内存中，这样虽然两个进程有独立的虚拟地址空间，但有一部分是映射的相同的物理内存，这样就完成了内存共享机制，如下图所示：

缺点：多进程竞争内存，类似于我们平常说的线程安全。

信号量（Semaphore）

信号量是一种用于控制多个进程对共享资源的访问的机制。它通过维护一个计数器来记录可用资源的数量，当一个进程需要访问资源时，需要先获取信号量。如果信号量的值为0，则表示资源不可用；如果信号量的值大于0，则表示资源可用，该进程可以获取资源并减少信号量的值。

优点：

可以控制并发访问：信号量可以控制多个进程对共享资源的并发访问，避免出现竞态条件。
实现简单：信号量的实现比较简单，使用起来也比较方便。

缺点：

可能会导致死锁：在多进程访问共享资源时，如果不合理地使用信号量，可能会导致死锁问题。
无法传递大量数据：信号量只能用于控制资源的访问，无法传递大量数据。

套接字（Socket）

前面提到的管道、消息队列、共享内存以及信号量都是在同一台主机上进行进程间通信，那要想跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了。

实际上，Socket 通信不仅可以跨网络与不同主机的进程间通信，还可以在同主机上进程间通信。

套接字基于网络协议进行数据传输，可以用于不同操作系统之间的通信。套接字可以分为流套接字和数据报套接字两种类型。流套接字提供可靠的、双向的、面向连接的数据传输服务；数据报套接字提供不可靠的、无连接的数据传输服务。

优点：

支持跨平台通信：套接字适用于不同主机之间的进程间通信，可以实现跨平台通信。
其实也可以用于同一个主机上不同进程间的数据通信，也就是unix域Socket。

参考：https://www.cnblogs.com/feily/articles/14160817.html

根据创建 socket 类型的不同，通信的方式也就不同：

实现 TCP 字节流通信：socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_STREAM；
实现 UDP 数据报通信：socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM；
实现本地进程间通信：「本地字节流 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM，「本地数据报 socket 」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_DGRAM。另外，AF_UNIX 和 AF_LOCAL 是等价的，所以 AF_UNIX 也属于本地 socket；