文章目录
- 前言
- 一、进程隔离
- 二、进程空间划分：用户空间(User Space)/内核空间(Kernel Space)
- 三、系统调用：用户态与内核态
- 四、Linux下传统IPC跨进程通信原理
- 1、发送进程通过系统调用，将需要发送的数据拷贝到Linux进程的内核空间中的缓存区(数据拷贝1次，通过copy_from_user())
- 2、内核服务程序唤醒接收进程的接收线程，通过系统调用将数据发送到接收进程的用户空间中，最终完成数据发送(数据拷贝2次，通过copy_to_user())，最终实现进程间的用户空间的数据交互
- 3、缺点
- 常见传统进程间通信
- 共享内存
- 管道
- 消息队列
- Socket
前言
Linux中跨进程通信涉及到一些基本概念：
- 进程隔离
- 进程空间划分：用户空间(User Space)/内核空间(Kernel Space)
- 系统调用：用户态/内核态
一、进程隔离
操作系统中，进程与进程间内存是不共享的。两个进程就像两个平行的世界，A 进程没法直接访问 B 进程的数据，这就是进程隔离的通俗解释。A 进程和 B 进程之间要进行数据交互就得采用特殊的通信机制：进程间通信（IPC）。
进程隔离为了保证 安全性 & 独立性，一个进程不能直接操作或者访问另一个进程，即Android的进程是相互独立、隔离的
二、进程空间划分：用户空间(User Space)/内核空间(Kernel Space)
现在操作系统都是采用的虚拟存储器，对于 32 位系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）就是 2 的 32 次方，也就是 4GB。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也可以访问底层硬件设备的权限。为了保护用户进程不能直接操作内核，保证内核的安全，操作系统从逻辑上将虚拟空间划分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space）。针对 Linux 操作系统而言，将最高的 1GB 字节供内核使用，称为内核空间；较低的 3GB 字节供各进程使用，称为用户空间。
简单的说就是，内核空间（Kernel）是系统内核运行的空间，用户空间（User Space）是用户程序运行的空间。为了保证安全性，它们之间是隔离的。
一个进程空间分为 用户空间 & 内核空间（Kernel），即把进程内 用户 & 内核 隔离开来
1、进程间，用户空间的数据不可共享，所以用户空间 = 不可共享空间
2、进程间，内核空间的数据可共享，所以内核空间 = 可共享空间
所有进程共用1个内核空间
三、系统调用：用户态与内核态
虽然从逻辑上进行了用户空间和内核空间的划分，但不可避免的用户空间需要访问内核资源，比如文件操作、访问网络等等。为了突破隔离限制，就需要借助系统调用来实现。系统调用是用户空间访问内核空间的唯一方式，保证了所有的资源访问都是在内核的控制下进行的，避免了用户程序对系统资源的越权访问，提升了系统安全性和稳定性。
Linux 使用两级保护机制：0 级供系统内核使用，3 级供用户程序使用。
当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。
当进程在执行用户自己的代码的时候，我们称其处于用户运行态（用户态）。此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。
系统调用主要通过如下两个函数来实现：
copy_from_user() //将数据从用户空间拷贝到内核空间
copy_to_user() //将数据从内核空间拷贝到用户空间
四、Linux下传统IPC跨进程通信原理
1、发送进程通过系统调用，将需要发送的数据拷贝到Linux进程的内核空间中的缓存区(数据拷贝1次，通过copy_from_user())
2、内核服务程序唤醒接收进程的接收线程，通过系统调用将数据发送到接收进程的用户空间中，最终完成数据发送(数据拷贝2次，通过copy_to_user())，最终实现进程间的用户空间的数据交互
3、缺点
- 性能低下，一次数据传递需要经历：内存缓存区 --> 内核缓存区 --> 内存缓存区，需要 2 次数据拷贝；
- 接受数据的缓存要由接收方提供，但接收方却不知道到底要多大的缓存才满足需求（一般解决方法：开辟尽可能大的空间 或者先调用API接收消息头获得消息体大小，再开辟适当的空间接收消息体。但前者浪费空间，后者浪费时间）
常见传统进程间通信
共享内存
共享内存是进程间通信中最简单的方式之一，共享内存允许两个或更多进程访问同一块内存，当一个进程改变了这块地址中的内容的时候，其它进程都会察觉到这个更改，它的原理如下图所示：
性能：因为共享内存是访问同一块内存，所以数据不需要进行任何复制，是IPC几种方式中最快，性能最好的方式。
稳定性：共享内存未提供同步机制，需要我们手动控制内存间的互斥操作，较容易发生问题。
安全性：共享内存由于能任意的访问和修改内存中的数据，如果有恶意程序去针对某个程序设计代码，很可能导致隐私泄漏或者程序崩溃，所以安全性较差。
管道
管道分为命名管道和无名管道，它是以一种特殊的文件作为中间介质，我们称为管道文件，它具有固定的读端和写端，写进程通过写段向管道文件里写入数据，读进程通过读段从读进程中读出数据，构成一条数据传递的流水线，它的原理如下图所示：
管道一次通信需要经历2次数据复制（进程A -> 管道文件，管道文件 -> 进程B）。管道的读写分阻塞和非阻塞，管道创建会分配一个缓冲区，而这个缓冲区是有限的，如果传输的数据大小超过缓冲区上限，或者在阻塞模式下没有安排好数据的读写，会出现阻塞的情况。管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式。
消息队列
消息队列是存放在内核中的消息链表，每个消息队列由消息队列标识符表示。消息队列允许多个进程同时读写消息，发送方与接收方要约定好，消息体的数据类型与大小。消息队列克服了信号承载信息量少、管道只能承载无格式字节流等缺点，消息队列一次通信同样需要经历2次数据复制（进程A -> 消息队列，消息队列 -> 进程B），它的原理如下图所示：
Socket
Socket原本是为了网络设计的，但也可以通过本地回环地址 (127.0.0.1) 进行进程间通信，后来在Socket的框架上更是发展出一种IPC机制，名叫UNIX Domain Socket。Socket是一种典型的C/S架构，一个Socket会拥有两个缓冲区，一读一写，由于发送/接收消息需要将一个Socket缓冲区中的内容拷贝至另一个Socket缓冲区，所以Socket一次通信也是需要经历2次数据复制，它的原理如下图所示：
