面試題：管道、消息隊列、共享內存哪個開銷最小？

面試遇到這樣的問題，Linux包含多種進程間通信（interprocess communication，或者IPC），我們或多或少在面試中都被問及IPC的相關知識，所以這篇文章記錄總結一下自己對於IPC的認識和理解吧！

概述

進程間的通信手段大體可以分爲兩類：

• 通信類
  

• 同步類
  

關於POSIX IPC與System V IPC的區別：

• POSIX(Portable Operating System Interface for Computing Systems)是由IEEE 和ISO/IEC 開發的一簇UNIX標準。
• System V， 曾經也被稱爲 AT&T System V，是Unix操作系統衆多版本中的一支。由AT&T的貝爾實驗室開發。

區別：
1、System V IPC方法早於POSIX IPC，幾乎所有的Unix平臺都支持System V IPC，其可移植性較好，但是在使用過程中也暴露出一些弱點。
2、POSIX IPC提供了和System V IPC相對應的工具（它也包括消息隊列、信號量和共享內存）。3、從設計的角度上講，POSIX IPC是優於System V IPC的，接口簡單，易於使用。但是POSIXIPC的可移植性並不如System V IPC。

IPC包含以下幾種方式：

• 管道
• 消息隊列
• 信號量
• 共享內存

管道

管道是最早出現的進程間通信方式，在shell中執行命令，經常會將上一個命令的輸出作爲下一個命令的輸入，由多個命令配合完成一件事，這就是通過管道來完成的。

進程who的標準輸出，通過管道傳遞給下游的wc進程作爲標準輸入，從而通過相互配合完成了一件任務。

無名管道

無名管道的通信是作用在親緣進程之間的，所謂親緣進程是指有同一個公共祖先的進程組，所以管道不止可以用在父子進程，還可以用在兄弟進程、祖孫進程、叔侄進程。

管道實質是一個字節流，並非前面提到的消息，沒有消息的邊界。如果多個進程發送的字節流混在一起，則無法辨認出各自的內容。所以一般是兩個有親緣關係的進程用管道來通信。從程序設計的角度來講，當進程調用pipe函數時，哪兩個有親緣關係的進程使用該管道來通信應是事先約定好的，其他有親緣關係的進程不應該進來攪局。

管道中的內容是閱後即焚的，這個特性指的是讀取管道內容是消耗型的行爲，即一個進程讀取了管道內的一些內容之後，這些內容就不會繼續在管道之中了。一般來講管道是單向的。如果兩個進程之間想雙向通信怎麼辦？可以建立兩個管道，如圖：

管道是一種文件，可以調用read、write和close等操作文件的接口來操作管道。另一方面管道又不是一種普通的文件，它屬於一種獨特的文件系統：pipefs。管道的本質是內核維護了一塊緩衝區與管道文件相關聯，對管道文件的操作，被內核轉換成對這塊緩衝區內存的操作。

在Linux下，可以使用如下接口創建管道：

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

如果成功，則返回值是0，如果失敗，則返回值是-1，並且設置errno。
成功調用pipe函數之後，會返回兩個打開的文件描述符，一個是管道的讀取端描述符pipefd[0]，另一個是管道的寫入端描述符pipefd[1]。

調用pipe函數的進程隨後調用fork函數:

用管道通信的兩個進程，各持有一個管道文件描述符，不相干的進程應自覺關閉掉這些文件描述符。這麼做不僅僅是爲了讓數據的流向更加清晰，也不僅僅是爲了節省文件描述符，更重要的原因是：關閉未使用的管道文件描述符對管道的正確使用影響重大。

管道有如下三條性質：

• 只有當所有的寫入端描述符都已關閉，且管道中的數據都被讀出，對讀取端描述符調用read函數纔會返回0（即讀到EOF標誌）。
• 如果所有讀取端描述符都已關閉，此時進程再次往管道里面寫入數據，寫操作會失敗，errno被設置爲EPIPE，同時內核會向寫入進程發送一個SIGPIPE的信號。
• 當所有的讀取端和寫入端都關閉後，管道才能被銷燬。

管道內存大小

本質來講管道也是一片內存區域，那它的大小是多少呢？

• 自Linux 2.6.11版本起，管道的默認大小是65536字節.

可以調用fcntl來獲取和修改這個值的大小，代碼如下：

pipe_capacity = fcntl(fd, ?F_GETPIPE_SZ); //獲取管道大小
ret = fcntl(fd, ?F_SETPIPE_SZ, size); //設置管道大小

其上限記錄在/proc/sys/fs/pipe-max-size裏，對於特權用戶，還可以修改該上限值。

命名管道FIFO

無名管道因爲沒有實體文件與之關聯，靠的是世代相傳的文件描述符，所以只能應用在有共同祖先的各個進程之間。對於沒有親緣關係的任意兩個進程之間，無名管道就愛莫能助了。

命名管道就是爲了解決無名管道的這個問題而引入的。FIFO與管道類似，最大的差別就是有實體文件與之關聯。由於存在實體文件，不相關的沒有親緣關係的進程也可以通過使用FIFO來實現進程之間的通信。

與無名管道相比，命名管道僅僅是披了一件馬甲，其核心與無名管道是一模一樣的。

創建命名管道的接口定義方式：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);//mode指FIFO文件的讀寫權限，與open函數類似

消息隊列

相比於管道來講，消息隊列機制中，雙方是通過消息來通信的，無需花費精力從字節流中解析出完整的消息。

System V消息隊列

消息隊列中每條消息都有type字段，消息的讀取進程可以通過type字段來選擇自己感興趣的消息，也可以根據type字段來實現按消息的優先級進行讀取，而不一定要按照消息生成的順序來依次讀取。

內核爲每一個System V消息隊列分配了一個msg_queue類型的結構體，它內部是維護一個優先級消息鏈表。

POSIX消息隊列

POSIX消息隊列與System V消息隊列有一定的相似之處，信息交換的基本單位是消息，但也有顯著的區別。

最大的區別當屬在Linux實現裏POSIX消息隊列的句柄本質是文件描述符。這個性質給POSIX消息隊列帶來了巨大的優勢。因爲是文件描述符，所以可以使用I/O多路複用系統調用（select、poll或epoll等）來監控這個文件描述符。

其次，POSIX消息隊列提供了通知功能，當消息隊列中有消息可用時，就會通知到進程。而System V消息隊列沒有通知功能，所以消息隊列上何時有消息進程無從得知，只能阻塞（msgrcv）或輪詢（帶IPC_NOWAIT標誌位的msgrcv）。

最後，System V消息隊列的消息提取要比POSIX消息隊列靈活。POSIX消息隊列本質是個優先級隊列。而System V消息中存在類型字段，可以提取類型等於某值的消息，這點POSIX消息隊列是做不到的。

信號量

消息隊列的作用是進程之間傳遞消息。而信號量的作用是爲了同步多個進程的操作。

一般來說，信號量是和某種預先定義的資源相關聯的。信號量元素的值，表示與之關聯的資源的個數。內核會負責維護信號量的值，並確保其值不小於0。信號量上支持的操作有：

• 將信號量的值設置成一個絕對值。
• 在信號量當前值的基礎上加上一個數量。
• 在信號量當前值的基礎上減去一個數量。
• 等待信號量的值等於0。

創建打開信號量

創建或打開信號量的函數爲semget，其接口如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);//nsems表示信號量的個數

共享內存

共享內存是所有IPC手段中最快的一種。它之所以快是因爲共享內存一旦映射到進程的地址空間，進程之間數據的傳遞就不須要涉及內核了。

前面已經討論過的管道、FIFO和消息隊列，任意兩個進程之間想要交換信息，都必須通過內核，內核在其中發揮了中轉站的作用：

• 發送信息的一方，通過系統調用（write或msgsnd）將信息從用戶層拷貝到內核層，由內核暫存這部分信息。
• 提取信息的一方，通過系統調用（read或msgrcv）將信息從內核層提取到應用層。
  

一個通信週期內，上述過程至少牽扯到兩次內存拷貝（從用戶拷貝到內核空間和從內核空間拷貝到用戶空間）和兩次系統調用，這其中的開銷不容小覷。用戶層的體驗固然不佳，所以產生了共享內存的通信方式，共享內存是在用戶空間不經過內核：

共享內存，這種思路可以通俗地概括爲內核搭臺，進程唱戲。簡單地說，內核負責構建出一片內存區域，兩個或多個進程可以將這塊內存區域映射到自己的虛擬地址空間，從此之後內核不再參與雙方通信。

注意　建立共享內存之後，內核完全不參與進程間的通信，這種說法嚴格來講並不是正確的。因爲當進程使用共享內存時，可能會發生缺頁，引發缺頁中斷，這種情況下，內核還是會參與進來的。

總結

在Unix發展過程中出現了各類的進程通信方式，目前比較主流的通信方式主要包含管道、信號量、消息隊列、共享內存等，從比較它們的底層實現可以看出來共享內存是開銷最小的通信方式，源於它和內核的交流比較少，從而降低了開銷。

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