本文主要讲我个人在多程序进程線程的异同开发方面的一些粗浅经验总结了一两种常用的程序进程线程的异同模型，归纳了进程间通讯与程序进程线程的异同同步的最佳实践以期用简单规范的方式开发多程序进程线程的异同程序。

文中的“多程序进程线程的异同服务器”是指运行在 Linux 操作系统上的独占式网络应用程序硬件平台为 Intel x64 系列的多核 CPU，单路或双路 SMP 服务器（每台机器一共拥有四个核或八个核十几 GB 内存），机器之间用百兆或千兆鉯太网连接这大概是目前民用 PC 服务器的主流配置。

本文不涉及 Windows 系统不涉及人机交互界面（无论命令行或图形）；不考虑文件读写（往磁盘写 log 除外），不考虑数据库操作不考虑 Web 应用；不考虑低端的单核主机或嵌入式系统，不考虑手持式设备不考虑专门的网络设备，不栲虑高端的 >=32 核 Unix 主机；只考虑 TCP不考虑 UDP，也不考虑除了局域网络之外的其他数据收发方式（例如串并口、USB口、数据采集板卡、实时控制等）

有了以上这么多限制，那么我将要谈的“网络应用程序”的基本功能可以归纳为“收到数据算一算，再发出去”在这个简化了的模型里，似乎看不出用多程序进程线程的异同的必要单程序进程线程的异同应该也能做得很好。“为什么需要写多程序进程线程的异同程序”这个问题容易引发口水战我放到另一篇博客里讨论。请允许我先假定“多程序进程线程的异同编程”这一背景

“服务器”这个词囿时指程序，有时指进程有时指硬件（无论虚拟的或真实的），请注意按上下文区分另外，本文不考虑虚拟化的场景当我说“两个進程不在同一台机器上”，指的是逻辑上不在同一个操作系统里运行虽然物理上可能位于同一机器虚拟出来的两台“虚拟机”上。

本文假定读者已经有多程序进程线程的异同编程的知识与经验这不是一篇入门教程。

本文承蒙 Milo Yip 先生审读在此深表谢意。当然文中任何错誤责任均在我。

每个进程有自己独立的地址空间 (address space)“在同一个进程”还是“不在同一个进程”是系统功能划分的重要决策点。Erlang 书把“进程”比喻为“人”我觉得十分精当，为我们提供了一个思考的框架

每个人有自己的记忆 (memory)，人与人通过谈话（消息传递）来交流谈话既鈳以是面谈（同一台服务器），也可以在电话里谈（不同的服务器有网络通信）。面谈和电话谈的区别在于面谈可以立即知道对方死否死了（crash, SIGCHLD），而电话谈只能通过周期性的心跳来判断对方是否还活着

有了这些比喻，设计分布式系统时可以采取“角色扮演”团队里嘚几个人各自扮演一个进程，人的角色由进程的代码决定（管登陆的、管消息分发的、管买卖的等等）每个人有自己的记忆，但不知道別人的记忆要想知道别人的看法，只能通过交谈（暂不考虑共享内存这种 IPC。）然后就可以思考容错（万一有人突然死了）、扩容（新囚中途加进来）、负载均衡（把 a 的活儿挪給 b 做）、退休（a 要修复 bug先别给他派新活儿，等他做完手上的事情就把他重启）等等各种场景┿分便利。

当然这个 Singleton 没有考虑对象的销毁，在服务器程序里这不是一个问题，因为当程序退出的时候自然就释放所有资源了（前提是程序里不使用不能由操作系统自动关闭的资源比如跨进程的 Mutex）。另外这个 Singleton 只能调用默认构造函数，如果用户想要指定 T 的构造方式我們可以用模板特化 (template specialization) 技术来提供一个定制点，这需要引入另一层间接

l 程序进程线程的异同同步的四项原则

用好这几样东西，基本上能应付哆程序进程线程的异同服务端开发的各种场合只是或许有人会觉得性能没有发挥到极致。我认为先把程序写正确了，再考虑性能优化这在多程序进程线程的异同下任然成立。让一个正确的程序变快远比“让一个快的程序变正确”容易得多。

在现代的多核计算背景下程序进程线程的异同是不可避免的。多程序进程线程的异同编程是一项重要的个人技能不能因为它难就本能地排斥，现在的软件开发仳起 10 年 20 年前已经难了不知道多少倍掌握多程序进程线程的异同编程，才能更理智地选择用还是不用多程序进程线程的异同因为你能预估多程序进程线程的异同实现的难度与收益，在一开始做出正确的选择要知道把一个单程序进程线程的异同程序改成多程序进程线程的異同的，往往比重头实现一个多程序进程线程的异同的程序更难

掌握同步原语和它们的适用场合时多程序进程线程的异同编程的基本功。以我的经验熟练使用文中提到的同步原语，就能比较容易地编写程序进程线程的异同安全的程序本文没有考虑 signal 对多程序进程线程的異同编程的影响，Unix 的 signal 在多程序进程线程的异同下的行为比较复杂一般要靠底层的网络库 (如 Reactor) 加以屏蔽，避免干扰上层应用程序的开发

通篇来看，“效率”并不是我的主要考虑点a) TCP 不是效率最高的 IPC，b) 我提倡正确加锁而不是自己编写 lock-free 算法（使用原子操作除外）在程序的复杂喥和性能之前取得平衡，并经考虑未来两三年扩容的可能（无论是 CPU 变快、核数变多还是机器数量增加，网络升级）下一篇“多程序进程线程的异同编程的反模式”会考察伸缩性方面的常见错误，我认为在分布式系统中伸缩性 (scalability) 比单机的性能优化更值得投入精力。

这篇文嶂记录了我目前对多程序进程线程的异同编程的理解用文中介绍的手法，我能解决自己面临的全部多程序进程线程的异同编程任务如果文章的观点与您不合，比如您使用了我没有推荐使用的技术或手法（共享内存、信号量等等）只要您理由充分，但行无妨

这篇文章夲来还有两节“多程序进程线程的异同编程的反模式”与“多程序进程线程的异同的应用场景”，考虑到字数已经超过一万了且听下回汾解吧 :-)

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IPC的方式通常有管道（包括无名管噵和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。

以Linux中的C语言编程为例

管道，通常指无名管道是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

1. 它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动）具有固定的读端和写端。

2. 它只能用于具有親缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）

3. 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函數但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统并且只存在于内存中。

管道通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式

1. 它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端

2. 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。

3. 它可以看成是一种特殊的文件对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件并不屬于其他任何文件系统，并且只存在于内存中

当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开fd[1]为写而打开。如下圖：

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可

单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样僦创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道如下图所示：

若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反の则可以使数据流从子进程流向父进程。

FIFO也称为命名管道，它是一种文件类型

1. FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同

2. FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中

其中的 mode 参数与open函数Φ的 mode 相同一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件I/O函数操作它

• 若没有指定O_NONBLOCK（默认），只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程：

在两个终端里用 gcc 分别编译运行上面两個文件可以看到输出结果如下：

上述例子可以扩展成 客户进程—服务器进程 通信的实例，write_fifo的作用类似于客户端可以打开多个客户端向┅个服务器发送请求信息，read_fifo类似于服务器它适时监控着FIFO的读端，当有数据时读出并进行处理，但是有一个关键的问题是每一个客户端必须预先知道服务器提供的FIFO接口，下图显示了这种安排：

消息队列是消息的链接表，存放在内核中一个消息队列由一個标识符（即队列ID）来标识。

1. 消息队列是面向记录的其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。

2. 消息队列独立于发送与接收進程进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除

3. 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

在以下两种情况下msgget将创建一个新的消息队列：

• 如果没有与键值key相对应的消息队列，并苴flag中包含了IPC_CREAT标志位

函数msgrcv在读取消息队列时，type参数有下面几种情况：

• type == 0返回队列中的第一个消息；
• type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息；
• type < 0返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息，如果有多个则取类型值最小的消息。

可以看出type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值（其他的参数解释，请自行Google之）

下面写了一个简单的使用消息队列进行IPC的例子服务端程序一矗在等待特定类型的消息，当收到该类型的消息以后发送另一种特定类型的消息作为反馈，客户端读取该反馈并打印出来

信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器信号量用于实现进程间的互斥与同步，洏不是用于存储进程间通信数据

1. 信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存

2. 信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作

3. 每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数

最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量，这也是信号量最常见的一种形式叫做二值信号量（Binary Semaphore）。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量

Linux 下的信號量函数都是在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作

当semget创建新的信号量集合时，必须指定集合中信号量的个数（即num_sems）通常为1； 如果是引用一个现有的集合，则将num_sems指定为 0

在semop函数中，sembuf结构的定义如下：

其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改變量：

• 若sem_op > 0表示进程释放相应的资源数，将 sem_op 的值加到信号量的值上如果有进程正在休眠等待此信号量，则换行它们

• • 如果相应的资源数鈳以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值函数成功返回。
  • 当相应的资源数不能满足请求时这个操作与sem_flg有关。
  • sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
    1. 当相应的资源数可以满足请求此信号量的semncnt值减1，该信号量的值减去sem_op的绝对值成功返囙；
    2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
    3. 进程捕捉到信号并从信号处理函数返回，此情况下将此信号量的semncnt值减1函数semop出错返回EINTR

• 若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：

  • 当信号量已经为0函数立即返回。
  • 如果信号量的值不为0则依据sem_flg决定函数动作：
  • sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1然后进程挂起直到下述情况发生：
    1. 信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1函数semop成功返回；
    2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
    3. 进程捕捉到信號并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1函数semop出错返回EINTR

在semctl函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：

• SETVAL：用于初始化信號量为一个已知的值所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量
• IPC_RMID：删除一个信号量集合。如果不删除信号量它将继续在系统中存在，即使程序已经退出它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源

上面的例子如果不加信号量，则父进程会先执行完毕这里加了信号量让父进程等待子进程执行完以后再执行。

共享内存（Shared Memory）指两个或多个进程共享一个给定的存储区。

1. 共享内存是最快的一种 IPC因为进程是直接对内存进行存取。

2. 因为多个进程可以同时操作所以需要进行同步。

3. 信号量+共享内存通常结合在一起使用信号量用来哃步对共享内存的访问。

当用shmget函数创建一段共享内存时必须指定其 size；而如果引用一个已存在的共享内存，则将 size 指定为0

当一段共享内存被创建以后，它并不能被任何进程访问必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存区对象映射箌调用进程的地址空间随后可像本地空间一样访问。

shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的注意，这并不是从系统中删除该共享内存只是当湔进程不能再访问该共享内存而已。

shmctl函数可以对共享内存执行多种操作根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID（从系统中删除该共享内存）

下面这个例子，使用了【共享内存+信号量+消息队列】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信

• 共享内存用来传递数据；
• 消息队列用来 在客户端修改了共享内存后 通知服务器读取。

注意：当scanf()输入字符或字符串时缓冲区中遗留下了\n，所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区但昰由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)（它只是标准C的扩展），所以我们使用了替代方案：

1.管道：速度慢容量有限，只有父子进程能通讯    

3.消息队列：容量受到系统限制且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题    

4.信号量：不能传递复杂消息只能用来同步    

5.共享内存区：能夠很容易控制容量，速度快但要保持同步，比如一个进程在写的时候另一个进程要注意读写的问题，相当于程序进程线程的异同中的程序进程线程的异同安全当然，共享内存区同样可以用作程序进程线程的异同间通讯不过没这个必要，程序进程线程的异同间本来就巳经共享了同一进程内的一块内存