进程间通信

复习

• 多级反馈队列：不知道任务长短时，靠反馈自动调整优先级
• 多核调度：任务分到多个 CPU 后还要处理负载和缓存亲和
• 线程与并发：一个进程内可以有多条共享内存的执行线

TL;DR

• 进程之间内存隔离，互相看不到对方的数据
• 要交换数据，得借助内核提供的专门通道
• 常见方式：管道、消息、信号、共享内存
• 各有取舍：共享内存最快，但要自己处理同步

正文

　　上一章说，同一进程里的线程共享内存，交换数据很方便。可进程与进程之间是隔离的——这也是它们的优点：一个进程出错，不会直接改坏另一个进程的数据。

　　但隔离也带来麻烦：两个进程想交换数据，怎么办？

为什么不能直接读写对方内存

　　每个进程都有自己独立的地址空间（后面会专门讲）。进程 A 眼里的地址 1000，和进程 B 眼里的地址 1000，很可能对应完全不同的物理内存。A 也没法凭一个地址，去访问 B 的数据。

　　所以，进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）必须借助内核：由内核提供一条双方都能用的通道，数据经由这条通道传递。

几种常见方式

　　内核提供的通道有好几种，各有各的脾气：

• 管道（pipe）：一条单向的字节流，像一根水管。一端往里写，另一端从里读。适合把“前一个程序的输出”接到“后一个程序的输入”。
• 消息队列：一条条有边界的“消息”。每发一条，对方就收到一条，能保留消息之间的分界。
• 信号（signal）：一个简短的通知，用来“打断”对方，比如告诉它“该结束了”。它只传递很少的信息。
• 共享内存：由内核划出一块内存，让两个进程都能访问。数据不走内核中转，速度最快；但正因为大家都能直接读写，必须另外配一套同步机制，否则会互相踩脚。

　　前三种都要经过内核搬运或转发；共享内存则让双方直接读写同一块地方，省去了搬运。

怎么选

　　一句话：想省事就用管道或消息，想最快就用共享内存，但要额外操心同步。 怎么在这两者之间取平衡，正是接下来几章要展开的。

　　而“共享内存要同步”这件事，其实不只发生在进程之间——同一进程里的多个线程共享内存，也会撞上同样的麻烦。下一章，我们从最简单的一个例子看起：两个线程同时给一个数加一，为什么会加错？

思考题

　　既然共享内存最快，为什么不让所有进程通信都用共享内存？多出来的是哪部分工作？

小结

知识点

• 进程地址空间互相隔离，无法直接访问对方数据
• 进程间通信需要内核提供通道
• 管道、消息、信号、共享内存各有取舍
• 共享内存最快，但需要额外的同步

参考资料

1. Wikipedia(zh)：进程间通信：IPC 的各种方式
2. Wikipedia(zh)：管道：管道
3. Wikipedia(zh)：共享内存：共享内存

思考题答案（仅供参考）

　　因为共享内存虽然快，却把“协调”这件事全丢给了使用者：多个进程同时读写同一块内存，必须自己保证它们不会互相覆盖、不会读到写了一半的数据。这就需要锁、信号量等一整套同步机制，写起来容易出错。管道和消息由内核替你把数据搬好、把边界划清，省心得多。所以选哪种，要看更在意速度还是更在意省事——工具没有绝对的好坏，只有是否合适。

协议

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设计师 | 南国微雪