王道操作系统笔记，视频链接：2.1.5.1 进程通讯

知识总览

进程通讯的三种方式：

1. 共享存储：

• 基于数据结构的共享
• 基于存储区的共享

2. 消息传递：

• 直接通信的方式
• 间接通信的方式

3. 管道通信

进程通信

进程通信定义

进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）是指两个进程之间产生数据交互。
比如：微博文案转发分享到微信

为什么进程通信需要操作系统支持

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
PS：为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。

共享存储

1. 原理：如果操作系统支持共享存储的功能，一个进程可以申请一块共享存储区，这部分的内容也可以让其它进程共享。

• 比如：进程P要给进程Q传递信息，可以在共享存储区写入需要传递的信息，然后Q再从共享存储区读出数据即可。
• 举例：Linux中，可以通过 shm_open 系统调用，申请一片共享内存区，通过 mmap 系统调用，将共享内存区映射到进程自己的地址空间（虚拟地址空间，第三章会讲，也就是通过“增加页表项/段表项”将同一片共享内存区映射到各个进程的地址空间中）。

2. 为避免出错（类似同时写入同一片区域这种错误），各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。各个进程可使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如P、V操作，这在2.3小节会讲解）。
3. 基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。
4. 基于数据结构的共享；比如共享空间里只能放一个长度为10的数组（可以当成特殊的全局变量）。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。
   PS：为什么会慢？(来自deepseek)基于存储区是“放之四海而皆准”的，进程1可以随便放任意大小的结构体，进程2直接拿。而数据结构被卡死为“固定长度数组”。如果进程1的输出是 20 个字节，而数组每个元素只能存 8 字节，你就得手动拆分成 3 个元素存进去，进程2再拼回来。一旦涉及手动拆分拼接，就会多出额外的CPU运算和内存复制，这才变慢。

消息传递

1. 原理：进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。
2. 这里的格式化的消息由消息头与消息体构成，消息头包括：发送进程ID、接受进程ID、消息长度等格式化的信息。消息体保存的就是一个进程要传给另一个进程的数据。
3. 消息传递分为直接通信方式与间接通信方式两种，前者消息发送进程要指明接收进程的ID，后者通过“信箱”间接地通信。因此又称“信箱通信方式”。
4. 直接通信方式：

• 举例：
  • 在进程Q的PCB中，包含有一个进程Q的消息队列，其它进程要给进程Q发送消息，都会挂在进程Q的消息队列中。
  • 假设进程P希望发送一个消息给Q，P先在自己的地址空间完善生成一条格式化的消息msg，然后使用发送原语，send(Q,msg)将消息传递给操作系统内核，内核接收到这个消息，然后将这个消息挂在进程Q的消息队列中。也就是这个msg是由进程P的地址空间复制到内核空间的。
  • 进程Q可以使用接收原语，receive(P,msg)，进程Q执行接收原语后，操作系统检查进程Q的消息队列，然后将对应的消息从操作系统内核区复制到进程Q的地址空间。
• 直接通信方式需要点名道姓的消息传递，无论是发送还是接收都要指明对象。

5. 间接通信方式

• 举例：
  • 以进程P给进程Q发送信息为例，进程P利用系统调用，向操作系统申请一个或多个新的“邮箱”，并在自己的地址空间生成完善msg，然后调用发送原语，send(A,msg)往信箱A发送消息msg，此处没有指明某个特定的进程，只指明了哪个邮箱，所以算是间接通信。
  • 进程Q使用接收原语指明邮箱，receive(A,&msg)，从信箱A接受消息。
• 可以多个进程往同一个信箱send详细，也可以多个进程从同一个信箱中receive消息。
• 间接通信方式以“邮箱”作为中间实体进行消息传递。

6. PS：两者区别（来自deepseek）：
   - 直接通信 = 微信私聊（你必须加对方好友（知道PID），消息只在你俩之间传输，离线就收不到）。
   - 间接通信 = 朋友圈/公告栏（你只管发动态（塞邮箱），谁爱看谁看，谁爱评论谁评论，发的人不指定给谁，看的人也不在乎是谁发的）。

管道通信

如图：

1. 定义：管道通信的方向与水管一样是单向的，这里的“管道”是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。读写文件遵循先进先出原则，可以当作一个巨大的循环队列。
2. 与基于存储区的共享存储的区别：共享存储从哪里写入、从哪里读取都没有限制，而管道通讯要求数据的读写都是先进先出。
3. 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输（传输完毕后可以更改传输的方向，但是同一时刻只能一个方向传输）。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
   PS：同一时刻支持双向的传输，叫做全双工通信，这是计网的概念。
4. 各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现）
5. 当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中地数据取走，即可唤醒写进程。
6. 当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。
7. 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当读个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：

• 一个管道允许多个写进程，一个读进程（2014年408真题高教社官方答案）
• 允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据（Linux方案）
• PS：这两个解决方案存在争议，在应试角度以“多个写进程，一个读进程”为准，但是现实角度来说“多个写进程，多个读进程”也完全没有问题。

知识回顾与重要考点

注意：

• 写进程往管道写数据，即便管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据
• 读进程从管道读数据，即便管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据