什么是进程间通信

本文主要介绍“什么是进程间通信”。在日常操作中，我相信很多人对什么是进程间通信有疑问。边肖查阅了各种资料，整理出简单易用的操作方法，希望能帮助大家解决“什么是进程间通信”的疑惑！接下来，请和边肖一起学习！

多流程协作有以下三个优势。

功能模块化，避免重复造轮。

增强模块之间的隔离并提供更强的安全性。

提高应用程序的容错能力。

进程间通信是多进程协作的基础。一般来说，IPC至少需要两方(比如两个流程)。根据信息流的方向，这两方通常被称为发送方和接收方。在实践中，IPC经常被用于服务调用，因此IPC中涉及的双方也被称为调用者和被调用者，或者客户端和服务器。

图7-1是一个简单的IPC设计。它假设内核已经为两个进程映射了一个共享内存，这个共享内存只能容纳两个消息(发送者消息和接收者消息)。

01 进程间通信的重要功能

1. 数据传递

消息传递是IPC中常见的数据传递方式，也就是把数据抽象成消息来传递。不同的IPC设计有不同的消息抽象，消息传输往往需要一个“中间人”(比如共享内存)。

2. 控制流转移

当通信发生时，内核将控制从发送方进程切换到接收方进程的流程(返回过程类似)。IPC中控制流的传递通常是通过内核控制进程的运行状态和运行时间来实现的。

02 进程间通信的分类

1. 单向IPC、双向IPC、单/双向IPC

单向IPC通常意味着消息只能在一个连接上从一端发送到另一端，而双向IPC允许双方互相发送消息。但单向/双向IPC会根据通信中的具体配置选项来判断是需要支持单向还是双向通信。其实很多系统都选择单/双向IPC，可以更好的支持各种场景。当然，只支持单向IPC的机制，如管道和信号，在实践中也得到广泛应用。

2. 同步IPC和异步IPC

简单来说，同步IPC就是它的IPC操作(比如Send)会阻塞进程，直到操作完成；另一方面，异步IPC通常是非阻塞的，进程只要启动一个操作就可以返回，而无需等待操作完成。

与异步相比，同步IPC具有更好的编程抽象性。然而，在操作系统的发展中，同步IPC逐渐显示出一些不足。一个典型的问题是并发性。一般来说，目前大多数操作系统内核会选择同时实现同步和异步的IPC，以满足不同的应用需求。

03 进程间通信的相关机制

1. 超时机制

超时机制扩展了IPC通信方之间的接口，允许发送方/接收方指定其发送/接收请求的等待时间。例如，应用程序可以花5秒钟等待文件系统进程的IPC请求处理操作。如果超过5秒没有反馈，操作系统内核将结束IPC调用并返回超时错误。

2. 通信连接管理

对于基于共享内存的进程间通信方案，通信连接的建立通常在共享区域建立的瞬间完成。对于涉及内核控制流传输的通信，通信连接管理是内核IPC模块的重要组成部分。

虽然在实际系统中有各种各样的实现，但大多数可以分为两类：mdashmdash直接沟通和间接沟通。直接沟通意味着沟通过程中的一方需要明确识别另一方。间接通信需要经过一个中间邮箱，每个邮箱都有自己唯一的标识符，通过共享一个邮箱来处理交换消息。

3. 权限检查

进程间通信通常依赖于一套权限检查机制来保证连接的安全性。例如，像seL4这样的微内核系统中的Capability机制将所有通信连接抽象为内核对象。每个进程对内核对象的访问权限(以及可以在内核对象上执行的操作)由能力来表征。

当一个进程试图与其他进程通信时，内核会检查该进程是否有能力，是否有足够的权限访问连接对象，以及该对象是否指向目标进程。类似地，宏内核，如Linux系统，通常重用其有效用户/有效组的文件权限来表征进程对连接的权限。

4. 命名服务

命名服务就像一个全局看板，可以协调服务器进程和客户端进程之间的信息。简单地说，服务器进程可以告诉命名服务进程它提供的服务，比如文件。

系统进程可以注册一个“文件系统服务”，网络系统进程可以注册一个“网络服务”。

而客户端进程可以去命名服务上查询当前的服务，并选择自己希望建立连接的服务去尝试获取权限。具体是否分发权限给对应的客户端进程，是由命名服务和对应的服务端进程根据特定的策略来判断的。

04 宏内核进程间通信

宏内核下的典型的进程间通信机制，具体包括管道，System V中的消息队列、信号量、共享内存，Linux信号机制，以及套接字机制(socket)。

宏内核操作系统中进程间通信更多的是应用之间的交互，因此，设计的重心通常会放在接口的易用性、稳定性等方面。图7-5给出了典型的宏内核进程间通信机制的对比。

可以看到，虽然在IPC的几个设计角度上几个方案都各有异同，但是它们之间的主要区别是在数据抽象上。在实际的应用中，虽然多种IPC方案都可以作为通信的选择，但是应用程序往往会根据对数据抽象的需求来选择具体的方案。

05 微内核进程间通信

由于进程间通信对于微内核系统性能的重要意义，大部分微内核操作系统都会优先从性能角度来设计和实现进程间通信。

1. Mach：早期的微内核进程间通信设计

Mach通过两种基本的抽象——端口(port)和消息(message)，设计和实现了一种间接通信IPC：通信的双方不需要显式指定另一方，而是通过端口进行通信(对应于“信箱”)。进程之间通过端口流通的数据就是消息。

作为一个早期的微内核系统，Mach系统的性能比起当时的宏内核系统(如UNIX)还是存在不小的差距。其中一个原因是Mach为了实现大量的目标，如可裁剪性、可移植性等，导致其内核复杂，且代码量较大。不过，Mach的IPC设计仍对后来的很多系统有着非常重大的影响。

Mach中端口和消息的设计使得进程间的通信和具体的进程是隔离开的。只要一个进程拥有某个端口，其就能够通过这个端口和“另一端”的进程进行通信。后续的微内核系统设计大都考虑了Mach的思想，不管是借鉴其设计还是将其缺陷引以为戒。

2. L4：围绕进程间通信优化而设计的微内核系统

根据Mach的经验，Liedtke等研究人员开始研发L4系列的微内核系统。L4系列微内核系统的一个突出思路是：进程间通信是微内核的核心功能，需要围绕通信去完成整个系统的设计和实现。L4是当下仍然十分主流的微内核系统，特别是后续衍生出了各种变体和相关的系统。

在L4微内核中，内核只保留了基本的功能，包括地址空间、线程、进程间通信等，并且不考虑如兼容性等要求，而是选择针对特定硬件做极致的性能优化。这样做的好处就是内核的代码量非常少，可以把少量的功能尽可能支持好。

3. LRPC：迁移线程模型

迁移线程(thread  migration)是一个比较“极端”的优化性能的IPC设计。截止到目前，我们了解到优化IPC性能的大部分工作会关注两个部分：优化控制流切换的性能和优化数据传输的性能。

迁移线程认为，其他的IPC设计可以看成将需要处理的数据发送到另一个进程并让其处理。这也是为什么控制流切换和数据传输会成为主要的瓶颈。

如果换一个角度，将另一个进程处理数据的代码拉到当前进程，那么我们是不是可以避免控制流的切换(仍然是当前进程处理)以及数据传输(数据已经准备在当前进程中)呢?迁移线程就是围绕这个新的视角进行设计的。

迁移线程方案被用在LRPC、Mach(优化版本)等系统中，是目前纯软件进程间通信优化中效果最好的设计之一。迁移线程的基本原则是：

1. 鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区

2. 简化控制流切换，让客户端线程执行“服务端的代码”;

3. 简化数据传输，共享参数栈和寄存器;

4. 简化接口，减少序列化等开销;

5. 优化并发，避免共享的全局数据结构。其中，前两点原则都基于“将代码拉到本地”这个新的视角。

迁移线程IPC和主流IPC设计的对比如图7-13所示。要做到“将代码拉到本地”，迁移线程首先需要对线程结构进行解耦，明确线程中哪些部分是对通信请求处理起关键作用的。然后，这部分允许被调用者(负责处理请求的逻辑)运行在调用者的上下文中，将跨进程调用变成更接近函数调用的形式。

如果使用迁移线程模型，在进程间通信过程中，内核不会阻塞调用者线程，但是会让调用者线程执行被调用者的代码。整个过程没有被调用者线程被唤醒，相反，被调用者端更像是一个“代码提供者”。

此外，内核不会进行完整的上下文切换，而是只切换地址空间(页表)等和请求处理相关的系统状态。其中，不会涉及线程和优先级的切换，也不会调用调度器。迁移线程的优点在于减少了内核调度的时间，并简化了内核中的IPC处理。在多核场景下，迁移线程方案还可以避免跨核通信引入的开销。

06 案例分析：Android Binder

在Android场景下，进程间通信在大部分情况下做的其实是“远程过程调用”。服务端进程负责提供具体的服务，客户端进程则通过进程间通信来发起服务请求，并获得服务端进程处理后的结果。

除了通信双方进程外，在Binder IPC中还引入了一个Context Manager进程。Context  Manager提供命名服务，它的任务是建立通信连接。

在Binder  IPC的内核设计中，提供了句柄(handle)的抽象来表示IPC对象(即一个通信连接)。句柄和我们熟悉的文件描述符其实很相似，用户通过对句柄的操作来发起对特定进程的通信。

和之前的进程间通信设计不同的一点是，Binder  IPC中采用了“线程池”的服务端模型。也就是说，在服务端中，Binder的用户态和内核会有一个响应线程池的概念。当某个客户端进程发起通信时，内核会从(服务端的)线程池中选择一个可用的线程来响应。这种设计能够在同步进程间通信的情况下比较好地处理并发的通信请求。

到此，关于“什么是进程间通信”的学习就结束了，希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习，快去试试吧！若想继续学习更多相关知识，请继续关注网站，小编会继续努力为大家带来更多实用的文章！