# 2.6 进程通信

## 一、进程通信的概念

### 1.1 什么是进程通信

**进程通信（Inter-Process Communication, IPC）** 是指进程之间的信息交换。

### 1.2 进程通信的类型

根据通信方式的不同，进程通信分为：
- **低级通信**：只能传递状态和整数值（如信号量）
- **高级通信**：可以传递大量数据

### 1.3 进程通信的方式

1. **共享存储器系统**
2. **消息传递系统**
3. **管道通信系统**
4. **客户机-服务器系统**

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## 二、共享存储器系统

### 2.1 基本原理

通信的进程通过共享存储区进行通信。

**特点**：
- 通信的进程共享一块存储区域
- 进程通过读写共享存储区来交换信息
- 需要同步机制保证互斥访问

### 2.2 实现方式

#### 基于共享数据结构的通信

**特点**：
- 共享某些数据结构
- 如生产者-消费者问题中的缓冲区
- 通信效率低，适合少量数据交换

#### 基于共享存储区的通信

**特点**：
- 在内存中分配一块共享存储区
- 进程可以将数据写入共享存储区
- 其他进程可以从共享存储区读取数据
- 需要同步机制（信号量或互斥锁）

### 2.3 优缺点

**优点**：
- 通信效率高
- 不需要数据拷贝

**缺点**：
- 需要解决同步问题
- 进程必须在同一台计算机上

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## 三、消息传递系统

### 3.1 基本原理

进程通过发送和接收消息来通信。

**特点**：
- 进程之间通过消息进行通信
- 不需要共享存储区
- 可以实现分布式通信

### 3.2 消息格式

```
消息头 + 消息正文
```

**消息头包含**：
- 发送进程标识符
- 接收进程标识符
- 消息长度
- 消息类型
- 消息编号

### 3.3 通信方式

#### 直接通信

**定义**：发送进程直接将消息发送给接收进程。

**原语**：
```c
Send(P, message);    // 发送消息给进程P
Receive(Q, message); // 从进程Q接收消息
```

**特点**：
- 通信链路自动建立
- 一条链路只连接两个进程
- 每对进程之间只有一条链路

#### 间接通信（信箱通信）

**定义**：消息发送到信箱，接收进程从信箱取消息。

**原语**：
```c
Send(A, message);    // 发送消息到信箱A
Receive(A, message); // 从信箱A接收消息
```

**信箱类型**：
- **私用信箱**：用户进程建立，拥有者读，其他人写
- **公用信箱**：操作系统建立，所有进程可读写
- **共享信箱**：多个进程共享

**特点**：
- 通信链路通过信箱建立
- 一条链路可以连接多个进程
- 每对进程可以有多个链路

### 3.4 消息缓冲队列

**实现方式**：
- 系统维护一个消息缓冲池
- 发送进程申请缓冲区，复制消息，插入接收进程的消息队列
- 接收进程从消息队列取出消息，释放缓冲区

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## 四、管道通信系统

### 4.1 管道的概念

**管道（Pipe）**：连接两个进程的共享文件，用于进程间通信。

**特点**：
- 单向通信（一端写，一端读）
- 基于文件系统实现
- 遵循先进先出原则

### 4.2 管道的类型

#### 匿名管道

**特点**：
- 用于父子进程或兄弟进程间通信
- 没有名字，只能用于有亲缘关系的进程
- 半双工通信

**创建**：
```c
int pipe(int fd[2]);
// fd[0]用于读，fd[1]用于写
```

#### 命名管道（FIFO）

**特点**：
- 有名字，可用于无亲缘关系的进程
- 以文件形式存在于文件系统中
- 半双工通信

**创建**：
```c
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
```

### 4.3 管道的读写规则

- 写满时写进程阻塞，等待读进程读走数据
- 空时读进程阻塞，等待写进程写入数据
- 写端关闭时，读进程读完数据后返回0
- 读端关闭时，写进程收到SIGPIPE信号

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## 五、客户机-服务器系统

### 5.1 套接字（Socket）

**定义**：通信的端点，用于网络通信。

**特点**：
- 可用于同一台机器或不同机器
- 支持TCP和UDP协议
- 支持双向通信

**类型**：
- **流套接字（SOCK_STREAM）**：基于TCP，可靠、面向连接
- **数据报套接字（SOCK_DGRAM）**：基于UDP，不可靠、无连接

### 5.2 远程过程调用（RPC）

**定义**：允许程序调用另一个地址空间的过程或函数。

**特点**：
- 使分布式调用看起来像本地调用
- 隐藏底层通信细节
- 需要Stub（存根）程序

**执行过程**：
1. 客户进程以本地方式调用客户Stub
2. 客户Stub打包参数，发送消息给服务器
3. 服务器Stub解包参数，调用服务器过程
4. 服务器执行，返回结果给服务器Stub
5. 服务器Stub打包结果，发送给客户
6. 客户Stub解包结果，返回给客户进程

### 5.3 远程方法调用（RMI）

**定义**：Java中的RPC实现，用于分布式对象通信。

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## 六、进程通信的比较

| 通信方式 | 数据量 | 方向 | 适用范围 | 速度 |
|---------|--------|------|---------|------|
| 共享存储 | 大 | 双向 | 同一机器 | 快 |
| 消息传递 | 中 | 双向 | 任意 | 中 |
| 管道 | 中 | 单向 | 同一机器 | 中 |
| 套接字 | 大 | 双向 | 任意 | 中 |
| RPC | 中 | 双向 | 任意 | 慢 |

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## 七、考研重点

1. **进程通信的类型**：低级通信和高级通信
2. **共享存储器系统**：共享数据结构、共享存储区
3. **消息传递系统**：直接通信、间接通信（信箱）
4. **管道通信**：匿名管道、命名管道
5. **客户机-服务器系统**：套接字、RPC
6. **各种通信方式的优缺点**

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*下一节：2.7 死锁*