进程通信方式（进程之间的关系和通信）

进程间的制约关系有互斥、同步和通信三种形式。互斥体现了竞争关系，同步体现了合作关系，通信完成进程间的众多信息交换。你要深入理解进程的同步和互斥的含义，并能够正确区分它们，了解高级进程通信的3种方式，即共享存储器、管道文件和消息传递。

（一）同步

在日常生活中，同步关系的事例不胜枚举。例如，接力赛中前一棒运动员把棒交给下面的运动员，不能犯规。在工业生产的流水作业过程中，每道工序都有自己的特定任务，它们协同工作才能完成产品的生产，在前一道工序未完成或加工质量不合格时，后一道工序不能进行下去。

接力赛图示

工业生产的流水线图示

在计算机系统中，属于这种关系的进程是很多的。例如，SPOOLing系统的输入功能可以由两个进程A和B完成，进程A负责从读卡机上把卡片上的信息读到一个缓冲区中，进程B负责把该缓冲区中的信息进行加工并写到外存输入井中。

要实现二者的协同工作，两个进程必须满足如下制约关系：只有当取空该缓冲区中的内容时，进程A才能向其中写入新信息；只有当写满该缓冲区时，进程B才能从中取出内容做进一步加工和转送工作。可见，在缓冲区内容取空时，进程B不应继续运行，需要等待进程A向其中送入新信息；反之，当缓冲区中的信息尚未取走时，进程A应等待，防止把原有的信息冲掉而造成信息丢失的结果。针对该缓冲区，进程A和进程B就是一种同步关系。

通过上面分析可以看出，同步进程通过共享资源来协调活动，在执行时间的次序上有一定约束。虽然彼此不直接知道对方的名字，但知道对方的存在和作用。在协调动作的情况下，多个进程可以共同完成一项任务。

（二）互斥

在日常生活中，人与人之间还存在另一种形式的关系，就是竞争一个共用的事物，如汽车在交叉路口争用车道，篮球比赛中两方队员争抢篮板球，等等。这些人之间可能彼此并不认识，由于想要共用一个事物，产生了相互排斥的竞争关系。

汽车在交叉路口争用车道

争抢篮板球

在计算机系统中，进程之间的关系通常也是与此类似的互斥关系，这是由于进程共享某些资源而引起的。例如系统中只有一台打印机，有两个进程都要使用，为了保证打印结果的正确和方便使用，只能是一个进程用完打印机之后，另一个进程才能使用，否则，两个进程同时使用一台打印机，则结果交织在一起，根本无法辨认。这两个进程对打印机的申请没有顺序关系，谁都可能先提出请求。

为了解决这个问题，可以采取以下办法：使用前，各进程先申请打印机，如果打印机未分给其他进程，就把打印机分给该进程，做上占用标记，以后一直归它使用；当它用完之后，释放打印机，清除标记，这时另一个进程的申请才能得到满足。在一个进程使用打印机期间，另一个进程的申请不被满足，该进程必须等待。

从以上分析看出，在逻辑上这两个进程本来完全独立，毫无关系，只是由于竞争同一个物理资源而相互制约。这种互斥关系不同于前面讲的同步关系，它们的运行不具有时间次序的特征，谁先向系统提出申请，谁就先执行。

（三）通信

进程通信是指进程间的信息交换。各进程在执行过程中为合作完成一个共同的任务，需要协调步伐、交流信息。就如同人们在社会活动中进行交流一样。进程间交换的信息量可多可少。少则仅是一个状态或数值，多则可交换成千上万个字节的数据。

上述进程的互斥和同步机构因交换的信息量少，被归结为低级进程通信。本节介绍高级进程通信，它是方便高效地交换大量信息的通信方式。

高级进程通信方式有很多种，大致可归并为3类：共享存储器、管道文件和消息传递。

图 进程通信方式对比图

1．共享内存方式

共享内存方式是在内存中分配一片空间作为共享内存。需要进行通信的各个进程把共享内存附加到自己的地址空间中，然后就象正常操作一样对共享区中的数据进程读或写。如果用户不需要某个共享内存，可以把它取消。通过对共享内存的访问，相关进程间就可以传输大量数据。

2．管道文件方式

管道文件也称作管道线，它是连接两个命令的一个打开文件。一个命令向该文件中写入数据，称作写者；另一个命令从该文件中读出数据，称作读者。例如在Linux系统中，下述命令行就实现两个命令间的通信：

who | wc -l

写者和读者按先入先出（FIFO）的方式传送数据，由管道通信机制协调二者的动作，提供同步、互斥等功能。

在UNIX系统中，命令是通过进程实现的。所以，读者和写者又分别称作读进程和写进程。

3．消息传递方式

消息传递方式以消息（message）为单位在进程间进行数据交换。

它有两种实现方式：

（1）直接通信方式。发送进程直接将消息挂在接收进程的消息缓冲队列上，接收进程从消息缓冲队列中得到消息。

消息缓存通信:

消息缓冲通信这种方法是P.B.Hansen于1969年在他设计RC4000机器的操作系统时首先提出，在1970年公布的。其设计思想是：由系统管理一组缓冲区，其中每个缓冲区可以存放一个消息（即一组信息）。当进程要发送消息时，先要向系统申请一缓冲区，然后把消息写进去，接着把该缓冲区连到接收进程的一个消息队列中，并用通知接收者，接收进程可以在适当时候从消息队列中取出消息，并释放该缓冲区。

消息缓冲区一般包含下列几种信息：

name：发送消息的进程名或标识号。

size：消息长度。

text：消息正文。

next：下个缓冲区的地址。

在采用消息通信机构的系统中，进程PCB中一般包含有下列项目：

mutex：消息队列操作互斥信号量。消息队列是临界资源，不允许两个或两个以上进程对它同时进行访问。

Sm：表示接收消息计数和同步的信号量，用于接收消息进程与发送消息进程进行同步，其值表示消息队列中的消息数目。

Pm：指向该进程的消息队列中第一个缓冲区的指针。

接收消息进程的PCB和它的消息缓冲链的关系如图2-21所示。

图2-21 PCB与消息缓冲链

两个进程进行消息传送的过程如图2-22所示，发送进程在发送消息之前，要先在自己的内存空间设置一发送区，把准备发送的消息正文以及接收消息的进程名（或标识号）和消息长度填入其中，完成上述准备工作之后，调用发送消息的程序send（addr），其中参数addr是消息发送的起始地址。send程序的流程如图2-23所示，图中mutex是接收进程PCB中的互斥信号量，Sm是接收进程PCB中的同步信号量。

图2-22 消息发送与接收

接收进程在读取消息之前，先在自己占用的内存空间中指定一个接收消息区，然后调用接收消息程序receive（ptr），其中参数ptr是指向消息接收区的指针。receive程序的流程如图2-24所示。

图2-23 send程序流程图

图2-24 receive程序流程图

在实际通信时，发送进程往往要求接收进程在收到消息后立即回答，或按消息的规定，在执行了某些操作后予以回答。此时接收进程在收到发来的消息后，便对消息进行分析，若是完成某项任务的命令，接收进程便去完成指定任务，并把所得结果转换成回答消息。同样，通过send程序将回答消息回送给原发送进程，原发送进程再用receive程序读取回答消息。至此两个进程才结束由一次服务请求而引起的通信全过程。

这种通信方式的好处是扩大了信息传递能力，但系统也要花费一定的代价，主要反映在：PCB中多了两个信号量和一个指针。使其规模变大；系统开设多个缓冲区，占用内存空间；增加对缓冲区的管理程序；对于缓冲区和消息队列的管理要涉及复杂的同步关系，给系统增加了复杂性和调度负担。

（2）间接通信方式。发送进程将消息送到称作信箱的中间设施中，接收进程从信箱中取得消息。这种通信方式也称作信箱通信方式。

信箱通信:

信箱是实现进程通信的中间实体，可以存放一定数量的消息。发送进程将消息送入信箱，接收进程从信箱中取出发给自己的消息。这有点类似于我们日常使用信箱的情况。

信箱是一种数据结构，在逻辑上可分为两个部分：信箱头——包括信箱名字、信箱属性（公用、私用或者共享）和信箱格状态等；信箱体——用来存放消息的多个信箱格。

消息在信箱中存放受到安全保护，得到核准的用户（进程）可以随时读取消息，而其他用户被拒绝访问信箱。

信箱可以动态创建和撤消。进程可以利用信箱创建原语来创建一个新信箱，创建时应给出信箱名字及其属性等，以及谁可以共享此信箱（对共享信箱）。不再使用信箱时，可用信箱撤消原语删除它。

当进程之间要通信时，它们必须有共享信箱。发送和接收消息的原语形式为：

send(mailbox,message)

其中，mailbox为信箱，message是要发送的消息。发送进程要发送消息时，先判断该信箱的信箱格是否为空。若为空，则将消息送入相应信箱格中，并置信箱格状态为满；否则重复测试。当信箱全满时，发送者挂起，直至有消息从信箱中取走。

receive(mailbox,message)

接收进程要接收一个消息时，先判断信箱状态是否为满。若为满，表示有消息，则从中取走消息。否则若为空，则接收者挂起。

信箱可分为3类：

① 公用信箱：它由操作系统创建，系统中所有核准进程都可使用它——既可把消息送到该信箱中，又可从中取出发给自己的消息。

② 共享信箱：它由某个进程创建，对它要指明共享属性以及共享进程的名字。信箱的创建者和共享者都可以从中取走发给自己的消息。

③ 私有信箱：用户进程为自己创建的信箱。创建者有权从中读取消息，而其它进程（用户）只能把消息发送到该信箱中。