我們先把這張圖簡介瀏覽一下。首先從大類上分，進程間通信方法可以分為3類，消息傳遞式、共享內(nèi)存式、進程間同步。為啥這里會有進程間同步呢？進程間同步是為了同步兩個進程對共享內(nèi)存的讀寫，進程間同步也算是在兩個進程間傳遞了信息，所以把進程間同步也放在了進程間通信中。

可以看到共享內(nèi)存式機制比消息傳遞式機制要少，我們就先介紹共享內(nèi)存式。共享內(nèi)存式進程間通信的原理很簡單，就是通過修改頁表，使得兩個虛擬進程空間的一部分虛擬內(nèi)存對應(yīng)到相同的物理內(nèi)存上。雖然原理是一樣的，但是具體怎么實現(xiàn)，接口怎么設(shè)計，又產(chǎn)生了許多不同的共享內(nèi)存式進程間通信機制。

3.1 SysV共享內(nèi)存

SysV共享內(nèi)存是一種非常古老的共享內(nèi)存方法，是在UNIX誕生早期就有的方法。SysV共享內(nèi)存創(chuàng)建共享內(nèi)存的方法是使用接口shmget，它有三個參數(shù)，分別是key、size、flag。其中key是一個整數(shù)，是表示通信信道的名稱，兩個進程要提前約定好key。Size代表共享內(nèi)存的大小。Flag用來表示創(chuàng)建的行為，flag IPC_CREAT 表示如果通信信道存在就直接獲取它，如果還不存在就創(chuàng)建它，沒有IPC_CREAT的話表示只獲取不創(chuàng)建。如果再加上IPC_EXCL的話，表示只創(chuàng)建，如果已經(jīng)被別人創(chuàng)建了則返回失敗。shmget返回的是共享內(nèi)存的id，代表通信信道的句柄。然后拿著通信信道的句柄通過shmat接口就可以把底層的物理內(nèi)存映射到本進程空間了。函數(shù)返回值就是映射到本進程虛擬內(nèi)存空間的一個指針，然后就可以像訪問普通內(nèi)存一樣讀寫這段內(nèi)存了。任務(wù)完成之后就可以通過shmdt接口釋放信道。注意這只是釋放了本進程的通信信道，沒有釋放底層的物理內(nèi)存，要釋放底層物理內(nèi)存的話，需要使用接口shmctl()并選擇IPC_RMID操作。

3.2 POSIX共享內(nèi)存

相信大家對前面的敘述都有個疑惑，用一個整數(shù)當(dāng)做通信信道名稱，那豈不是很容易就選重了，那不就錯亂了嘛！而且如果有人惡意猜測使用你的key，你也沒有辦法。針對這個問題，POSIX設(shè)計出了一個新的共享內(nèi)存方案，叫做POSIX共享內(nèi)存，很好地解決了這個問題。POSIX共享內(nèi)存使用接口shm_open來創(chuàng)建共享內(nèi)存通信信道句柄，它的參數(shù)和open是一樣的，但是它不創(chuàng)建磁盤文件。這樣以來，我們使用的是一個路徑名作為通信信道的名稱，這就比一個整數(shù)key好多了，容易起名字還不容易重復(fù)。并且它的參數(shù)是和open一樣的，所以它的第三個參數(shù)mode可以指定權(quán)限，這樣就更安全了。shm_open的第二個參數(shù)和open的第二個參數(shù)是一樣的，可以指定flag O_CREAT O_EXCL，這兩個flag和前面的shmget可以達到相同的效果，你可以選擇是僅加入已經(jīng)信道，還是非要自己親自創(chuàng)建信道，或者已有就加入沒有就創(chuàng)建。shm_open返回的是一個fd，這個fd就是通信信道的句柄。有了這個fd，我們可以通過接口ftruncate來設(shè)置共享內(nèi)存的大小。得到了信道句柄之后，我們加入信道的方式不是用的專用的方法，而是使用系統(tǒng)已有的接口，用的是shared mmap，這點和SysV共享內(nèi)存有很大的不同。mmap之后我們就加入了信道，其返回值是本進程虛擬內(nèi)存空間的指針，我們就可以像操作普通內(nèi)存一樣操作它了。

3.3 共享內(nèi)存映射

系統(tǒng)調(diào)用mmap并不是專門用來做進程間通信的，它是用來做內(nèi)存映射的。它的映射來源可以用文件也可以是匿名(也就是沒有來源，直接分配內(nèi)存并初始化為0)。它的映射方式可以是私有的，也可以是共享的。映射來源和映射方式兩者一組合是四種方式。當(dāng)我們使用共享映射方式的時候，正好可以用來做進程間通信。對于共享文件映射，兩個進程映射相同的文件就可以達到共享內(nèi)存的目的，文件名就是通信信道的名稱，由名稱直接加入信道，沒有信道句柄。對于共享匿名映射，是通過fork之后在父子進程之間共享內(nèi)存的。fork之后父子進程之間的內(nèi)存本來是COW(寫時復(fù)制)的，也就是說父子進程之間不會共享內(nèi)存，但是被共享匿名映射的部分不會COW，而是在父子進程之間共享物理內(nèi)存，這就達到了共享內(nèi)存的效果。這種方法既沒有信道名稱也沒有信道句柄，是通過繼承方式直接就獲得了信道。這兩種共享內(nèi)存的解除方法都是使用munmap函數(shù)。

3.4 Android ION

很多博客上都會介紹說ION是一個內(nèi)存分配管理器，這么說既對也不對，單看ION它確實是內(nèi)存分配管理器，但是我們不能單看ION，我們要把和dma-buf一起看。Dma-buf既不是dma也不是buffer，它是一個buffer sharing框架，重點是sharing。Dma-buf框架實現(xiàn)了進程與進程之間、進程與內(nèi)核之間的內(nèi)存共享方案。但是它僅僅是一個框架，本身并沒有分配內(nèi)存的能力。ION則在dma-buf框架的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了內(nèi)存分配管理功能，所以應(yīng)該把ION與dma-buf當(dāng)做是一個整體，看成是共享內(nèi)存機制。ION與普通共享內(nèi)存機制不同的是，它不僅僅可以在進程間共享內(nèi)存，還能在進程與內(nèi)核之間共享內(nèi)存。ION在進程之間共享內(nèi)存時，是一方通過/dev/ion的ioctl ALLOC命令創(chuàng)建一個fd，這個fd就是信道句柄，通過對這個fd進行mmap就可以通信了。這和POSIX共享內(nèi)存的模式有點像，不同的是對方是如何得到這個fd的。POSIX共享內(nèi)存是通過大家都shm_open打開相同的文件名得到了同一個信道的句柄(句柄值不一定相同，但是底層對應(yīng)的信道是相同的)。ION是通過Binder向另一個進程傳遞fd的，Binder對fd做了特殊處理，對方收到的fd和自己的fd，數(shù)值不一定相同，但是底層對應(yīng)的東西是相同的。如果直接給一個進程傳遞fd的值，那是沒有意義的。ION和內(nèi)核驅(qū)動之間共享內(nèi)存有兩種情況，一種是內(nèi)核驅(qū)動創(chuàng)建了底層的物理內(nèi)存然后把它包裝成一個fd，通過一些系統(tǒng)調(diào)用傳遞給進程，進程對這個fd進行mmap就可以進行進程間通信了。另一種情況是進程創(chuàng)建了通信信道的fd，然后通過一些系統(tǒng)調(diào)用傳遞給內(nèi)核驅(qū)動，內(nèi)核驅(qū)動就根據(jù)這個fd找到其對應(yīng)的物理內(nèi)存。

ION里面有許多不同的堆，每個堆分配的物理內(nèi)存區(qū)域和方式并不相同，可以在使用ION接口的時候通過指定flag來選擇不同的堆。

3.5 dma-buf heaps

dma-buf heaps是ION的替代品。因為ION里面所有的堆都對應(yīng)同一個設(shè)備文件/dev/ion，不同的堆是通過在接口中指定flag來選擇的。那么這就存在一個問題，就是ION所有的堆對所有進程都是開放的，沒法或者不太容易對不同的進程做權(quán)限限制。dma-buf heaps正好解決了這個問題，它把不同的堆分拆成了不同的設(shè)備，都在目錄 /dev/dma_heap/ 下，比如 /dev/dma_heap/system 是默認的堆。這樣不同的堆就可以設(shè)置不同的文件權(quán)限，還可以通過selinux進行限制，這樣就大大提高了安全性。它的用法和底層邏輯與ION是一樣了，這里就不再過多介紹了。值得一提的是dma-buf heaps已經(jīng)合入了標準內(nèi)核，而且Android也正在逐步替換ION。

3.6 匿名管道

前面說的都是共享內(nèi)存式進程間通信，下面我們來說一說消息傳遞式進程間通信。我們先來說說無邊界的消息傳遞式進程間通信。

匿名管道是UNIX上最早的進程間通信機制了。它的出現(xiàn)來源于早期的操作系統(tǒng)都是命令行式的，我們經(jīng)常需要多個命令來協(xié)同完成一個任務(wù)。比如 ls -ef | grep process-name ,這個命令中前面命令的輸出要作為后面命令的輸入，中間的|豎線叫做管道符，代表像管道一樣從前往后傳遞數(shù)據(jù)。那么這個管道符的邏輯在程序中是怎么實現(xiàn)的呢，就是通過匿名管道實現(xiàn)的。Shell在執(zhí)行命令時先fork出一個子進程A，然后在子進程A中解析命令，發(fā)現(xiàn)命令需要執(zhí)行兩個程序，并通過管道連接。于是就使用匿名管道的創(chuàng)建接口int pipe(int fd[2])，此接口接收一個雙int元素的數(shù)組作為參數(shù)。接口執(zhí)行完成后返回兩個fd， fd[0]是讀端fd，fd[1]是寫端接口。然后fork A，生成進程B，這樣進程B也繼承了兩個fd。A和B都有兩個fd是沒啥意義的，于是進程A close(fd[0])，進程B close(fd[1])。然后進程A執(zhí)行exec(“l(fā)s -l”),然后進程B執(zhí)行exec(“grep process-name”)，這樣進程A就可以通過fd[1]輸出數(shù)據(jù)，進程B通過fd[0]讀取數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了進程間通信的目的。匿名管道通過通信雙方的父進程創(chuàng)建通信句柄，然后通過fork傳遞給子進程。父子進程都通過file IO的方式來進行消息傳遞。由于是使用的file IO，所以讀寫的都是字節(jié)流，并沒有消息邊界。如果進程想要確定消息邊界，需要自己想辦法確定每個消息的邊界，比如每個換行符代表一個消息，或者每次遇到字符串AAAAAA，代表一個新消息。

3.7 命名管道

我們可以看到匿名管道雖然很好用，但是卻有一個很大的缺陷，就是只能父子進程或者親屬進程之間使用，因為要傳遞信道句柄fd。有沒有辦法擴大匿名管道的使用范圍呢，有，創(chuàng)建命名管道。管道有了名稱之后，其它進程就可以通過名稱找到信道句柄從而加入信道了。命名管道的用法是，首先要使用mkfifo命令在文件系統(tǒng)創(chuàng)建一個文件，這個文件是真實的文件，但不是常規(guī)文件，而是fifo類型的文件。有個這個文件之后，通信雙方的寫者就可以用正常的open接口以O(shè)_WRONLY模式打開文件，讀者就可以用open接口以O(shè)_RDONLY方式打開文件。然后讀寫雙方就可以通過各自的fd讀寫管道了。命名管道的創(chuàng)建方式和匿名管道不同，但是消息傳遞方式是相同的。匿名管道也是無邊界消息，原理同匿名管道一樣。

3.8 SysV消息隊列

SysV消息隊列是一個有邊界的消息傳遞式進程間通信。它的信道創(chuàng)建邏輯和SysV共享內(nèi)存差不多。創(chuàng)建接口是msgget，有兩個參數(shù)key和flag。Key是一個整數(shù)，是信道名稱。Flag有兩個，flag IPC_CREAT 表示如果通信信道存在就直接獲取它，如果還不存在就創(chuàng)建它，沒有IPC_CREAT的話表示只獲取不創(chuàng)建。如果再加上flag IPC_EXCL的話，表示只創(chuàng)建，如果已經(jīng)被別人創(chuàng)建了則返回失敗。msgget返回的是消息隊列的id，也就是信道的句柄。然后可以通過接口msgsnd和msgrcv來發(fā)送和接收消息，一個只能發(fā)送或者接收一個消息。當(dāng)通信完成之后，可以通過接口msgctl的IPC_RMID操作來銷毀消息隊列。

3.9 POSIX消息隊列

SysV消息隊列和SysV共享內(nèi)存存在的問題是一樣的，于是又設(shè)計了POSIX消息隊列。POSIX消息隊列的創(chuàng)建接口是mq_open，它的參數(shù)和open是類似的。用一個字符串類型的name作為信道名稱。還有一個flag參數(shù)和前面講的flag參數(shù)是一樣的，可以指定是創(chuàng)建信道還是加入已經(jīng)的信道。返回值叫做消息隊列描述符，是信道句柄。然后可以通過接口mq_send、 mq_receive來發(fā)送接收消息。當(dāng)通信完成后可以通過接口mq_close來關(guān)閉信道。如果所有的進程都關(guān)閉信道了，底層信道才會被刪除。

3.10 套接字

套接字是分為網(wǎng)絡(luò)套接字和UNIX local套接字。網(wǎng)絡(luò)套接字不僅可以在本機進行進程間通信，還能在不同的機器間進行通信。UNIX local套接字只能在本機的進程間進行通信。兩者都分為流式套接字和數(shù)據(jù)報套接字，前者是無邊界消息傳遞式進程間通信，后者是有邊界消息傳遞式進程間通信。套接字是區(qū)分服務(wù)端和客戶端的，服務(wù)端創(chuàng)建通信信道，客戶端加入通信信道。套接字的接口這里就不介紹了，大家可以找一些網(wǎng)絡(luò)編程相關(guān)的書籍或者博客來學(xué)習(xí)。

3.11 Android Binder

Android Binder是谷歌為Android開發(fā)的RPC，RPC是遠程過程調(diào)用的意思。RPC也是一種進程間通信，但又不僅僅是進程間通信，它的使用接口表現(xiàn)為可以透明調(diào)用其它進程的函數(shù)。Binder的通信中樞是內(nèi)核里的Binder驅(qū)動，它的用戶空間接口是對虛擬設(shè)備/dev/binder的一系列ioctl命令。但是進程并不是直接使用這些ioctl命令的，而是使用谷歌封裝好的libbinder庫。Binder的具體細節(jié)這里就不講了，給大家推薦兩個學(xué)習(xí)博客：

http://gityuan.com/2015/10/31/binder-prepare/

這個系列博客大概有十幾篇，全面詳細地講解了Binder的各個方面。

https://www.jianshu.com/p/adaa1a39a274

這是Binder的進階學(xué)習(xí)，有3篇，通過一些提問與解答，讓你對binder有更深入的理解。

3.12 信號機制

信號機制是在UNIX里面很早就存在的機制，它是內(nèi)核用來處理程序運行時發(fā)生錯誤的一種方法，也是給進程發(fā)送一些簡單特定的消息的方法，所以也可以看做是一種進程間通信機制。但是它又比較特殊，它和一般的進程間通信機制的結(jié)構(gòu)都不太相同。它是不需要建立通信信道的，因為它不是典型的進程間通信，或者說它的通信信道是天然建立好的，因為它用的是pid來指定消息傳遞給誰。它的發(fā)送是內(nèi)核發(fā)送或者進程通過kill等接口發(fā)送，指定pid就能發(fā)送給對方。對方可以設(shè)置信號處理函數(shù)來接收處理信號，也可以不設(shè)置，內(nèi)核會進行默認處理。信號機制的具體細節(jié)請參看《深入理解Linux信號機制》。

3.13 偽終端

大家可能聽說過終端、虛擬終端、控制臺、終端模擬器、偽終端等這些詞。估計大家和我一樣也是對這些詞一頭霧水，理不清它們到底是什么意思，相互之間是什么關(guān)系。其實我對虛擬終端和控制臺也不太理解，但是對終端、終端模擬器、偽終端還是比較了解的，在這里給大家講解一下。最早的時候，一臺電腦還是一臺幾間房子那么大的大型機，普通人根本買不起，有些大學(xué)或者科研單位或者政府機關(guān)也只能買得起一臺。然后是大家每人買一個終端連接到這臺電腦就可以使用了。終端就是一臺顯示器加一個鍵盤，只不過這個顯示器并不是像素顯示器，而是字符顯示器，一屏只能顯示80x25的字符。當(dāng)時的程序也都是命令行程序，從終端接收輸入，再把結(jié)果輸出到終端。具體到程序內(nèi)部來說，fd 0 對應(yīng)的就是終端輸入，fd 1就是終端輸出。終端并不是說鍵盤輸入的是什么它就原封不動地傳給程序，而是會做一定的預(yù)處理。

后來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機就變成了我們今天使用的計算機。每個人都可以買一臺獨立的電腦了，而且顯示器也變成了像素顯示器了，可以顯示豐富的畫面。而且很多程序的模式也從命令行模式轉(zhuǎn)變成了GUI模式。但是仍然有很多程序比較適合在命令行執(zhí)行，仍然保留了命令行模式。為此系統(tǒng)開發(fā)了一個GUI程序，叫做終端模擬器，也是我們平常說的命令行界面或者終端程序。它利用圖形界面模擬了之前的終端界面，讓我們看起來像是在使用終端，但是它本身是一個GUI程序。終端模擬器是怎么運行命令行程序的呢？它會使用系統(tǒng)的接口創(chuàng)建一個偽終端，偽終端分為主端和從端兩部分，模擬器自己拿主端，命令行程序拿從端，這樣命令行程序仿佛就像運行在終端環(huán)境里一樣。我們從鍵盤輸入的字符其實是先按照GUI程序的邏輯傳遞給了終端模擬器，終端模擬器再把輸入傳遞給偽終端的主端，然后偽終端在內(nèi)核里按照終端本身的邏輯進行處理，再發(fā)給偽終端從端，這樣我們的命令行程序才會收到輸入。命令行程序的輸出先發(fā)給偽終端從端，然后再進入內(nèi)核里的偽終端，然后再發(fā)給偽終端主端，然后終端模擬器才收到我們的輸出，然后它再按照GUI程序的方法把輸出繪制到它的窗口上，我們就看到了程序的輸出。所以說偽終端可以看做是終端模擬器和命令行程序之間的進程間通信機制。

偽終端的具體實現(xiàn)細節(jié)還是很復(fù)雜的，想詳細了解的朋友可以去看《The Linux Programming Interface》的第64章內(nèi)容。