不同的进程在各自的房间内运行, 每个房间有自己的编号pid, 进程之间互不干涉, 房间内有许多种与外界通信的方式, 他们有各自的用途和特性, 分布在墙壁上; 房间内还分成多个区域, 分别是: 代码区(.text), 已初始化的全局/静态数据区(.data), 未初始化的全局/静态数据区(.bss), 堆, 栈, 内存映射区, 环境变量与命令行参数区, 内核空间

内存区域名词解释

代码区(.text)

这是整个房间的执行手册, 只可以执行不可以更改

  • 存放程序的机器指令的地方
  • 只读 + 可执行
  • 多个进程运行同一程序时，可以共享同一份 .text（节省内存）
  • 由 exec() 加载，从可执行文件（如 ELF）中读取.text

已初始化的全局/静态数据区(.data)

房间的初始化时就存在的数据

  • 可读可写
  • 程序启动时就分配好空间和初始值

未初始化的全局/静态数据区(.bss)

留给未初始化的全局/静态变量的空间, 初始化房间时一次性清零

  • 在程序加载时自动清零
  • 不占用可执行文件空间（只记录大小），节省磁盘空间

堆

房间里的“可扩展货架”——按需搭建，用完可拆

栈

房间里的“工作台”——临时操作，用完即清

内存映射区

房间的“外接模块区”——插入外部功能模块

  • 堆和栈之间，或单独区域

  • 作用：通过 mmap()

    映射以下内容：

    • 动态链接库（如 libc.so）
    • 文件映射（mmap 文件）
    • 匿名映射（用于大块内存分配）
    • 线程栈（pthread_create 使用）

  • 可读、可写、可执行（取决于映射方式）

  • 是现代程序加载共享库的主要方式

环境变量与命令行参数区

房间入口处的“任务说明书”和“环境配置单

  • 栈的最顶端（启动时）

内核空间（Kernel Space）

房间顶部的“特权控制区”——只有通过“请求孔”才能短暂进入

交互

通信机制

基于内核的ipc

管道

  • 匿名管道

    通过系统调用孔，使用pipe()命令, 内核会返回两个文件描述一个用于读数据, 另一个用于写数据; 通常使用一个int fd[2]来存储这两个描述符, 1是写入端, 0是读入端,

    如果系统调用成功, 那么在墙上就出现了两个分别标记这1和0的两个通道口, 这两个通道直接通向内核, 所有的数据都将先到达内核缓冲区,再到达另一端. 除此之外, 这两个通道在同一时间只能操作一个, 只有所有的写端或者读端全部关闭, 才可以打开另一端, 这使用内核来控制的.

    • 单向通信（半双工）
    • 基于字节流
    • 只能在父子进程间使用
    • 命令行中 |符号的实现基础
    • 系统调用：pipe()

  • 命名管道（FIFO）

    “命名管道（FIFO）就像是一个带名字的“公共信箱”，存在于文件系统中。任何知道其路径名的进程都可以通过名字打开它，进行通信。它的通信机制与匿名管道类似：基于字节流、半双工、数据在内核缓冲区中传递。

    与匿名管道不同的是，命名管道有名字、不需要进程间有亲缘关系，并且可以在多个无关进程间共享。

    虽然管道文件本身可以长期存在（直到被删除），但其中的数据仍是临时的，不会持久化存储。

    • 通过文件系统中的命名节点访问
    • 无亲缘关系的进程也可使用
    • 系统调用：mkfifo()

  • 特点：简单易用，适合少量数据传输

消息队列

通过系统调用, 在内核中申请一个“带分类邮箱”的邮局系统，每封信（消息）有编号（类型）、内容，收件人可以按类型取信。即使进程关闭, 邮箱也不会消失

  • 消息的链表结构，存储在内核中
  • 通信过程：
    1. 进程A创建消息队列：msgget()
    2. 发送消息：msgsnd()
    3. 进程B接收消息：msgrcv()
  • 特点：
    • 支持不同类型消息（消息优先级）
    • 允许非阻塞操作

信号

  • 异步通知机制（如 SIGINT、SIGKILL）
  • 发送信号：kill()系统调用
  • 接收处理：注册信号处理函数 signal()或 sigaction()
  • 特点：轻量级但只能传递信号值，不能携带数据

信号量

  • 用于进程间同步（非数据交换）
  • 控制对共享资源的访问（类似锁机制）
  • 操作：
    • P操作（等待/减操作）sem_wait()
    • V操作（释放/加操作）sem_post()
  • 特点：适用于复杂的同步场景

共享内存

  • 最高效的IPC方式
  • 工作机制：
    1. 创建共享内存区域：shmget()
    2. 映射到进程地址空间：shmat()
    3. 直接读写内存
    4. 分离映射：shmdt()
  • 关键问题：
    • 需要同步机制（如信号量）避免竞态条件
    • 实现复杂，但有最佳性能

基于文件系统的ipc

内存映射文件

  • 文件映射到进程的虚拟地址空间
  • 系统调用：mmap()
  • 特点：
    • 文件修改自动同步到内存
    • 适合大文件操作
    • 可在进程间共享

文件锁定

  • 通过 fcntl()或 flock()实现
  • 协作机制：
    • 写时获取排他锁
    • 读时获取共享锁

基于网络的ipc

套接字

  • 最通用的IPC机制
  • 类型：
    • UNIX域套接字（本地进程间）
    • 网络套接字（跨机器通信）
  • 过程：
    • 服务器：socket()→ bind()→ listen()→ accept()
    • 客户端：socket()→ connect()
  • 特点：
    • 支持TCP（可靠流）和UDP（不可靠数据报）
    • 可用于分布式系统

高级抽象机制的ipc

rpc

  • 远程过程调用框架
  • 工作流程：
    1. 客户端调用本地代理（stub）
    2. stub将调用信息序列化并发送
    3. 服务器stub反序列化并执行实际函数
    4. 结果返回客户端
  • 代表实现：
    • gRPC
    • CORBA
    • Java RMI

Dbus

  • 面向桌面环境的IPC系统
  • 用于Linux桌面应用间通信
  • 特点：
    • 基于消息传递
    • 支持对象模型