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进程间通信
2026 大纲 二（一）5 进程间通信，补充说明点名共享内存、消息传递、管道、信号四种方式。
两个进程被隔开了，那它们怎么说话
前面几节一直在强调进程之间是隔开的：各有各的地址空间、 各有各的 PCB、一个进程改不了另一个进程的内存。这是保护的基础。
可实际系统里进程又必须协作——浏览器的渲染进程要把画面交给合成进程， ls 的输出要交给 grep。隔离是前提，通信是需求，两者天生冲突。
解决办法只有一条路：由内核在中间开一个受控的口子。 而口子怎么开，决定了四种方式的全部性质：
共享存储——内核把同一批物理页框映射进两个进程的页表， 之后内核就退出数据通路了，两边直接读写内存。 这一条同时解释了它最快（没有任何拷贝、没有系统调用） 和它必须自己外挂信号量做互斥（内核根本不知道谁在写）。
消息传递——数据打包成消息，send/receive 走内核中转。 内核在通路上，所以同步由它顺带处理了，代价是要拷贝、要陷入内核。
管道——本质是内核里的一个固定大小缓冲区，自带同步（满则写阻塞、 空则读阻塞），但不自带互斥（多个写者仍会乱）。
信号——它压根不传数据，只传"发生了某件事"这个事实。 用位向量记录，因而不计数、不排队、可能丢失。
所以选型判据不是"哪个最快"，而是三问：传数据还是传事件？ 数据量多大、传多少次？跨不跨机器？
一、共享存储（共享内存）
建立过程：双方通信前先向系统申请共享存储区中的一个分区 → 各自把它附加（映射）到自己的地址空间（页式系统里就是把同一批物理页框填进两个进程的页表，双方用各自不同的逻辑地址经各自页表变换后落到同一批页框上，见 页式管理）→ 此后像读写普通内存一样读写 → 用完把分区归还。
| 形式 | 共享区里放什么 | 谁负责同步 | 层次 |
|---|---|---|---|
| 基于数据结构的共享 | 特定格式的数据结构（如有界缓冲区） | 程序员自己 | 低级通信，只适于传递相对少量的数据，效率低下 |
| 基于存储区的共享 | 任意数据，形式和位置由进程自己决定 | 进程自己 | 高级通信，为传输大量数据而设 |
两者的差别在于是谁规定了共享区里的格式：OS 规定的是前者（所以受限），进程自己说了算的是后者。
二、消息传递
以格式化的消息为单位传递数据。消息由消息头（发送进程标识、接收进程标识、消息类型、消息长度等控制信息，长度固定）与消息体（真正要传的数据）组成。
| 消息格式 | 优点 | 代价 | 适用 |
|---|---|---|---|
| 定长 | 处理和存储开销小 | 长消息要拆成多条 | 单机系统内、发送与接收进程环境相同时；便笺式的短通信 |
| 变长 | 方便用户，长消息不必拆 | 系统在处理和存储两方面都要付出更多开销 | 需要发送较长消息时 |
直接通信在原语里直接指明对方进程。收发双方都指名道姓的叫对称寻址，它的不足是某进程改名后所有引用过这个名字的定义都得跟着改；接收方不指定发送者、只用一个返回参数带回源进程的叫非对称寻址，打印服务这类"要接收任意进程请求"的场合必须用它。
send(B, message) // 对称寻址：进程 A 向进程 B 发送消息
receive(A, message)
send(P, message) // 非对称寻址：接收任意进程的消息
receive(id, message) // id 返回实际发送方间接通信（信箱通信）让消息经信箱中转，双方都不必知道对方是谁。信箱分信箱头（信箱标识符、拥有者、口令、空格数等描述信息）与信箱体（若干信箱格，格数与每格大小在创建信箱时确定）。"信箱头里有空格数"意味着信箱容量有限，满了就发不进去——这正是链路容量的具体形式。
| 链路属性 | 两种取值 | 判据/后果 |
|---|---|---|
| 怎么建链 | 显式建链：发送进程用"建立连接"原语请求系统建链，用完拆除 隐式建链：不必提出请求，系统在它发出 send 时自动建链 | 显式主要用于计算机网络，隐式主要用于单机系统 |
| 方向 | 单向链路 / 双向链路 | 决定要不要建两条链路 |
| 容量 | 无容量 / 有容量（可暂存 | 直接决定 send 会不会阻塞 |
| send / receive 组合 | 行为 | 什么场合用 |
|---|---|---|
| 发送阻塞 + 接收阻塞 | 双方都停下来会合 | 进程之间紧密同步、收发之间无缓冲（无容量链路）时 |
| 发送不阻塞 + 接收阻塞 | 发送方投出去就走；接收方平时阻塞着，来消息才被唤醒 | 应用最广，服务器等待请求就是这个形态 |
| 发送不阻塞 + 接收不阻塞 | 双方各忙各的，仅当某事件让它无法继续时才阻塞自己 | 也较常见 |
第四种组合（发送阻塞 + 接收不阻塞）很少用：接收方不阻塞意味着它得反复轮询，发送方却停下来等，两头的设计意图互相矛盾。
三、管道通信
管道是用于连接一个读进程和一个写进程的一个共享文件（又名 pipe 文件），实体是内存中一个固定大小的环形缓冲区。写进程以字符流形式送入数据，读进程从中读出。
进程A(写入) ───► 【管道缓冲区】───► 进程B(读取)
写端 读端| 必须提供的协调能力 | 具体做什么 | 为什么必须有 |
|---|---|---|
| 互斥 | 一个进程正在对 pipe 执行读/写时，其他进程必须等待 | 环形缓冲区的读写指针是共享变量，并发改动会错乱 |
| 同步 | 写进程写入一定数量数据后便睡眠等待，直到读进程取走才被唤醒；读进程读空 pipe 时也睡眠等待，直到写进程写入才被唤醒 | 缓冲区容量有限，两端速度不匹配时必须有一方停下来 |
| 确定对方是否存在 | 只有确定了对方已存在，才能进行通信 | 对面没人时继续读/写没有意义，必须给出确定的行为 |
| 匿名管道（无名管道） | 命名管道（FIFO） | |
|---|---|---|
| 有没有文件名 | 没有，在文件系统中没有路径 | 有，在文件系统中有一个路径名 |
| 双方怎么找到它 | 只能靠继承：创建管道后 fork，子进程继承父进程打开的文件描述符 | 双方各自按路径名打开即可 |
| 适用范围 | 只能用于有亲缘关系的进程（父子、兄弟） | 任意两个进程，互不相识也可以 |
| 生存期 | 随最后一个持有它的进程结束而消失 | 文件本身持久存在，直到被显式删除 |
四、信号
信号是一种用于通知进程某个事件已发生的异步通信机制。每种系统事件对应不同的信号类型，每类信号有一个序号。进程 PCB 中用一个 n 位向量记录当前待处理的信号（某位为 1 即待处理，处理后清零），另一个 n 位向量记录被阻塞（屏蔽）的信号——被阻塞的信号暂存，直到解除阻塞才处理。
发送有两条来源：内核检测到系统事件时发送（执行非法指令 → SIGILL；向读端已关闭的管道写 → SIGPIPE），或进程调用 kill() 向指定 PID 发送。处理分三种：默认处理（执行 OS 预设操作，如 SIGILL 默认终止进程）、自定义处理（进程为某类信号注册处理函数）、忽略。处理程序执行结束后通常返回原程序被中断的位置继续执行。
信号为什么被称为"软中断"：与硬件中断逐项对照（想弄清这个别名的分寸时展开）
| 硬件中断 | 信号 | |
|---|---|---|
| 由谁触发 | 外设或 CPU 内部异常 | 内核检测到系统事件，或另一进程调用 kill() |
| 打断谁 | 打断处理机当前的指令流 | 打断进程的正常执行流 |
| 谁来处理 | 中断处理程序（内核态） | 信号处理程序（多在用户态执行） |
| 能不能屏蔽 | 可用中断屏蔽字屏蔽 | 可用信号屏蔽向量阻塞 |
| 处理完去哪 | 返回被中断的断点 | 通常返回原程序被中断的位置继续执行 |
两者的层次并不相同：硬件中断是处理机级的机制，由硬件递交；信号是进程级的机制，由内核在合适的时机递交给进程。硬件中断的细节见 中断和异常的处理。
五、四种方式的对比与选型
| 方式 | 数据通路 | 速度（及依据） | 内核开销 | 适用数据量 | 同步机制 | 方向 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 共享存储 | 双方页表指向同一批物理页框，数据不经内核 | 最快：零数据拷贝、零系统调用，通信时就是普通访存 | 建立映射时一次性开销，之后为零 | 大，且传输次数越多越划算 | 须自行处理（信号量等） | 双向 |
| 消息传递 | 数据经内核缓冲区中转 | 中等：每条消息 2 次拷贝（发送方→内核，内核→接收方）+ 收发各一次系统调用 | 每条消息都有，与消息条数成正比 | 中小，或跨机器 | 无容量+双阻塞时由 OS 保证会合；其余情形仍需自理 | 双向 |
| 管道 | 数据经内核中的环形缓冲区 | 中等：同样是 2 次拷贝，但接口是字节流，无消息头开销 | 每次读写都有 | 中等，流式数据 | 自动同步（满写阻塞、空读阻塞），但多读/多写仍需互斥 | 半双工 |
| 信号 | 只改 PCB 里的一位 | 快，但不传数据 | 极小 | 不传数据（只有一个信号编号） | 异步通知，不排队、可能丢失 | 单向 |
把"数据量与次数才是判据"算成具体数字：共享存储什么时候反而最慢（想给选型三问里的第②问一个量化标准时展开）
设内存拷贝速率 2 GB/s，一次系统调用 1 µs，一对 P/V 操作 1 µs，建立一次共享内存映射的一次性开销 200 µs。消息传递需 2 次数据拷贝 + 2 次系统调用；共享存储需 1 次数据拷贝（写方写入共享区，读方直接读）+ 一对 P/V。
第一步，把"一次拷贝"折算成时间，这是全篇推算的基本单位：
第二步，按各自真正发生的动作逐笔组装单次开销（不能笼统地说"消息传递慢一倍"）：
第三步，传 100 条 1 MB 数据（映射开销只算一次，这正是"一次性"的含义）：消息传递
第四步，换成 4 字节的控制信息，拷贝时间降为
只传 1 次：消息传递 2.004 µs，共享存储
共享存储省的是拷贝，付的是建映射。 传一次几个字节的控制信息，用消息传递甚至信号远比开一块共享内存合算。
考点速记
- 共享存储把同一批物理页框映射进两个进程的页表，之后内核不在数据通路上——这一条同时解释了它最快和它必须自己外挂信号量做互斥。
- ⚠️共享内存下"虚拟页号不一定相同，物理页框号一定相同"：两个进程各自独立分配虚拟地址空间，同一块共享内存在它们的地址空间里可以落在不同位置；但共享的本质就是指向同一批物理页框，所以页框号必然相同。（与内存映射文件是同一条结论。）
- 消息传递的"同步由 OS 顺带处理"只在无容量 + 双阻塞时完整成立。
- 管道自带同步、不自带互斥：满则写阻塞、空则读阻塞（所以读和写都可能被阻塞），但多个写者仍会互相干扰。
- 管道是半双工的——一个管道只能单向传输，要双向就得开两个。
- 管道的容量是内核里一块固定大小的缓冲区（通常几十 KB），⚠️不是"受磁盘容量限制"——它根本不在磁盘上。
- ⚠️一个管道可以有多个读进程或多个写进程（只是需要额外互斥），不是"只能一个"。
- "管道只能用于父子进程"仅对匿名管道成立，根因是它没有名字——只能靠
fork时继承 fd 来传递；命名管道（FIFO）有路径名，任意进程都能打开。 - 信号用位向量记录，因而不计数、不排队、可能丢失，只传事件不传数据。
- 选型判据是三问，不是"哪个最快"：传数据还是传事件？数据量多大、传多少次？跨不跨机器？
这一节在真题里被考过的形式：
ipc 这个标签下挂了 9 道题，但其中 6 道实际考的是信号量 （2010-25、2013-45、2015-45、2020-45、2021-45、2026-26）， 在信号量与各经典同步问题里讲—— 本页下方练习区渲染的题比本节内容宽，属正常。真正落在本节的有两道：
- 判断管道通信的四条叙述，选正确的（2014-31）。答进程对管道进行读操作和写操作都可能被阻塞（速记第四条）。⚠️ 另三项各错一处："一个管道可实现双向数据传输"错——管道半双工，双向要开两个（第五条）；"管道的容量仅受磁盘容量限制"错——它是内核里的一块固定大小缓冲区，跟磁盘无关（第六条）；"一个管道只能有一个读进程或一个写进程"错——可以有多个，只是需要额外互斥（第七条）。这道题一题包了四个考点。
- 两进程共享 data，问虚拟页号与物理页框号的关系（2023-30）。答页号不一定相等、页框号一定相等。⚠️ 判据就是速记第二条：虚拟地址由各进程独立分配、可以不同；共享的本质是同一批物理页框，所以框号必然相同。四个选项恰好把"两个都一定、两个都不一定、以及两种交叉"摆齐，只要抓住"共享共享的是物理内存"就不会选错。
复习优先级：必须拿满，两道题各记一组判据。 管道那四条性质（半双工、 内核缓冲区、读写都可能阻塞、可多读多写）建议整组记住，2014-31 一题就考了四条。 第二条那个"虚拟页号不一定同、物理页框号一定同"在内存章已经出现过一次，是同一条结论。 第十条那三问的选型判据不会直接设问，但能防止"共享存储最快所以最好"这种误判。
易错：认为一个管道能双向传输。管道是半双工的，双向要开两个。
易错：认为管道容量受磁盘限制。它是内核里的一块固定大小缓冲区，不在磁盘上。
易错：认为管道只能一个读者一个写者。可以有多个，只是需要额外做互斥。
易错：认为只有写管道会阻塞。满则写阻塞、空则读阻塞，两边都会。
易错：认为共享内存下两个进程的虚拟地址一定相同。虚拟页号不一定同，物理页框号一定同。
易错：认为共享存储自带互斥。内核退出了数据通路，互斥必须自己外挂信号量。
易错：认为信号可以传数据、且不会丢。它用位向量记录，不计数、不排队、可能丢失。
易错：把"只能用于父子进程"套到所有管道上。只对匿名管道成立——它没有名字，只能靠继承 fd。
教材出处
- 汤小丹《计算机操作系统》2.6 进程通信、2.6.1 进程通信的类型，印刷 p67–p68：低级通信的两条不足（效率低、对用户不透明）与高级通信的两条特点；四大类高级通信机制；共享存储器系统的两种类型；管道的定义（连接读写进程的共享文件，又名 pipe 文件）与必须提供的三种协调能力（互斥、同步、确定对方是否存在）
- 汤小丹《计算机操作系统》2.6.2 消息传递通信的实现方式，印刷 p70–p71：对称寻址与非对称寻址；消息的格式（定长与变长的取舍）；进程同步方式的三种阻塞组合；通信链路的两种建立方式与单向/双向之分
- 汤小丹《计算机操作系统》2.6.2 信箱通信，印刷 p71：信箱的结构——信箱头（含信箱标识符、拥有者、口令、空格数）与信箱体（若干信箱格，格数与格大小创建时确定）
相关知识
进程的组织与控制｜信号量与 PV 操作｜内存映射文件｜中断和异常的处理｜调度的基本概念与目标