系统进程间通信

Inter-Process Communication，简称IPC）是指在不同进程间传递数据或者信号的机制。在操作系统中，进程是最小的资源分配单位。系统中运行着许多进程，有时候进程需要与其他进程进行通信以完成一些任务。本文将从多个角度分析系统进程间通信的原理、分类、优缺点以及应用等方面。

一、原理

在同一台计算机上，进程间可以通过一个公共的资源来实现通信，例如文件、套接字等。在不同机器上的进程间必须经过网络通信来实现。在内部通信过程中，常用的机制包括管道、消息队列、共享内存和信号等方式。

二、分类

1.管道（Pipe）

管道是Unix/Linux系统中最早也是最简单的IPC方法，主要分为有名管道和无名管道两种：

- 有名管道（Named Pipe）：也称FIFO，使用mkfifo或mknod命令创建，可以让不相关的进程间进行通信；

- 无名管道（Anonymous Pipe）：只能在直接相关的进程间进行通信，创建步骤是使用pipe函数创建管道，并通过fork函数创建子进程读写管道。

2.消息队列（Message Queue）

消息队列是进程间通信之间很常用的一种方式，相对于管道在传递数据时具有固定格式，更加方便传输数据，数据类型采用结构体。

3.共享内存（Shared Memory）

共享内存是将内存中的一段空间映射到多个进程的地址空间中，可以实现多个进程之间数据的共享。共享内存是最快的进程间通信方式之一，不需要进行数据复制，数据直接在进程间共享，适合于数据量大的情况。

4.信号量（Semaphores）

信号量是一种线程间同步的方式，它允许多个线程同时访问其它线程所占用的同一资源。信号量除了提供互斥机制之外，还可以用来处理读者写者问题和管程等问题。

5.套接字（Socket）

套接字是一种通信机制，进程可以通过网络接口和其他进程进行通信，一般用于网络编程中。

三、优缺点

1.管道

优点：管道是一种无连接的通信方式，实现起来简单，通信效率高。

缺点：管道只能在相关进程之间进行通信，无法进行跨网络通信，通信过程比较简单，但数据传输容易发生丢失的情况。

2.消息队列

优点：消息队列具有固定格式，数据传输正常不会出现丢失和损坏。

缺点：消息队列只适合于少量的数据传输，对于大量数据的传输效率比较低。

3.共享内存

优点：共享内存是一种进程间通信效率非常高的方式，其本质上是将数据在内存中共享，每个进程都能读写，数据不会被拷贝多次。

缺点：共享内存只能使用在在同一台计算机中的不同进程之间，且需要对共享内存的读写进行同步控制，否则会导致数据错乱等问题。

4.信号

优点：信号是一种进程间通信方式而不产生复制数据的过程，适用于数据量小的通信。

缺点：信号方式不适用于数据量大的情况，容易造成信号阻塞和丢失。

5.套接字

优点：可实现跨越机器和进程的通信，支持的数据格式灵活，能传递多种类型的数据。

缺点：因为需要网络通信，套接字的效率会比较低，对网络带宽和速度有一定要求。

四、应用

IPC在实现多进程应用和多线程应用中都有着广泛的应用。在Linux系统上，绝大多数应用程序都是基于IPC实现的。具体应用领域包括：

1.多进程编程

在多进程编程模型中，各个进程之间需要实现通信以完成数据共享和操作协同等功能。

2.多线程编程

在多线程编程模型中，线程间需要实现通信以进行数据共享和操作协同等功能。

3.网络编程

在网络编程中，不同计算机上的不同进程需要实现通信才能实现数据交换和任务协同等功能。