【操作系统】进程通信

article/2025/9/14 10:18:24

什么是进程通信？进程为什么需要通信？

进程通信：进程通信就是进程之间的信息交换。
进程通信的目的：
- 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
- 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
- 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供互斥和同步机制。
- 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如 Debug 进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

OS一般包括哪些进程通信方式？

共享存储器系统：

相互通信的进程共享某些数据结构或共享存储区。进程之间能够通过这些空间进行通信，需要使用互斥机制（P、V）。

管道通信系统：

所谓“管道”，是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享文件，又名pipe文件。输入进程向管道中以字符流的形式输入，输出进程以字符流的形式从管道取出。

管道机制必须提供三种协调能力：互斥、同步和确定对方的存在。其中的，同步：读进程要求读，但管道为空，则等待写进程写入数据。互斥：读写进程不能同时进行。

注意：从管道读数据是一次性操作，数据一旦被读取，就从管道中被抛弃，释放空间以便写更多的数据。管道只能采用半双工通信，即某一时刻只能单向传输。要实现父子进程双向互动通信，需要定义两个管道。

消息传递系统：

直接通信方式：进程以格式化的消息（message）为单位，将通信的数据封装在消息中，利用OS提供的一组通信命令（原语），在进程之间直接进行消息传递。

间接通信方式（信箱通信）：发送进程把消息发送到某个中间实体中，接收进程从中间实体（信箱）中取得消息。该通信方式广泛应用与计算机网络中。

客户机—服务器系统：

主要应用于计算机网络中，主要的实现方法分为三种：套接字、远程过程调用和远程方法调用。

用自己的话解释“管道通信”原理？

管道：也是文件，可以用于有血缘关系的进程间的通信。
实现机制：

两个或多个进程之间想要通信由于他们各拥有自己的地址空间所以必须有一块公共的空间，而这块空间就需要内核为他们提供，也就是缓冲区。

管道有两端一端负责输入，一端负责输出，所以两端就分别连接两个进程。进程1负责将数据输入到缓冲区，进程2将缓冲区的数据拿出来，这样就实现了两个进程的通信。

管道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。

用自己的话解释“内存共享通信”原理？

共享内存的通信原理示意图：

对于上图的理解：当两个进程通过页表将虚拟地址映射到物理地址时，在物理地址中有一块共同的内存区，即共享内存，这块内存可以被两个进程同时看到。这样当一个进程进行写操作，另一个进程读操作就可以实现进程间通信。但是，我们要确保一个进程在写的时候不能被读，因此我们使用信号量来实现同步与互斥。

用自己的话解释“消息缓冲通信”原理？

利用内存中公用消息缓冲区实现进程间的信息交换。

在这种通信机制中，首先需要在内存中开辟若干空闲消息缓冲区，用以存放要通信的消息。每当一个进程需要向另一个进程发送消息时，便向系统申请一个空闲消息缓冲区，并把已准备好的消息复制到该缓冲区，然后把该消息缓冲区插入到接收进程的消息队列中，最后通知接收进程。接收进程接收到发送进程发来的通知后，从本进程的消息队列中摘下一消息缓冲区，取出其中的信息，然后把消息缓冲区作为空闲消息缓冲区归还给系统。系统负责管理公用消息缓冲区以及消息的传递。