进程间通信方式

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管道（Pipe）

一、是什么？
管道是半双工的单向通信通道，数据只能单向流动（一个进程写，另一个进程读）。分为：

• 匿名管道：仅用于父子进程或有亲缘关系的进程
• 命名管道（FIFO）：无亲缘关系的进程可通过文件系统路径访问

二、解决什么问题
解决有亲缘关系进程间的简单数据传递问题，如命令行中的 | 操作符（ls | grep txt）。

三、应用场景

1. Shell命令链中进程的数据传递
2. 父子进程间的简单通信
3. 日志收集系统（生产者-消费者模型）

四、Java示例

// 使用ProcessBuilder创建管道
ProcessBuilder processBuilder1 = new ProcessBuilder("echo", "Hello Pipe");
ProcessBuilder processBuilder2 = new ProcessBuilder("grep", "Hello");

// 连接两个进程
processBuilder1.redirectOutput(ProcessBuilder.Redirect.PIPE);
processBuilder2.redirectInput(processBuilder1.redirectOutput());

Process p1 = processBuilder1.start();
Process p2 = processBuilder2.start();

// 读取结果
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(p2.getInputStream()));
System.out.println(reader.readLine());  // 输出：Hello Pipe

五、重要注意事项

1. 匿名管道只能用于亲缘进程
2. 数据是字节流，无消息边界
3. 缓冲区有限（通常4KB），写满时写操作阻塞

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消息队列（Message Queue）

一、是什么？
内核维护的消息链表，进程通过唯一标识符访问队列，支持结构化消息传递。

二、解决什么问题
解决无亲缘关系进程间的异步通信需求，支持消息优先级和类型过滤。

三、应用场景

1. 订单处理系统（生产者-消费者解耦）
2. 微服务间通信
3. 跨进程事件通知（如系统监控告警）

四、Java实现方式
Java标准库不直接支持系统级消息队列，但可通过中间件实现：

// 使用RabbitMQ示例（需引入amqp-client）
ConnectionFactory factory = new ConnectionFactory();
factory.setHost("localhost");
try (Connection connection = factory.newConnection();
     Channel channel = connection.createChannel()) {
    channel.queueDeclare("IPC_QUEUE", false, false, false, null);
    // 发送消息
    channel.basicPublish("", "IPC_QUEUE", null, "Hello MQ".getBytes());
}

五、重要注意事项

1. 消息需要序列化/反序列化
2. 内核队列有最大长度限制
3. 持久化消息影响性能

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共享内存（Shared Memory）

一、是什么？
多个进程直接访问同一块物理内存区域，是速度最快的IPC方式。

二、解决什么问题
解决大数据量、高性能要求的进程通信场景（如视频处理）。

三、应用场景

1. 数据库缓冲池管理
2. 实时图像/视频处理
3. 高频交易系统

四、Java实现
通过内存映射文件实现：

// 进程A：写入共享内存
RandomAccessFile file = new RandomAccessFile("shmem.dat", "rw");
FileChannel channel = file.getChannel();
MappedByteBuffer buffer = channel.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
buffer.put("Shared Data".getBytes());

// 进程B：读取相同文件
MappedByteBuffer buffer2 = new RandomAccessFile("shmem.dat", "rw")
    .getChannel()
    .map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 1024);
byte[] data = new byte[11];
buffer2.get(data);
System.out.println(new String(data));  // 输出：Shared Data

五、重要注意事项

1. 必须配合信号量等同步机制
2. 内存一致性需开发者保证
3. 复杂数据类型需要序列化

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Socket

一、是什么？
基于网络协议的通信端点，支持TCP（可靠流）和UDP（数据报）两种模式。

二、解决什么问题
解决跨网络或同主机任意进程间的通用通信问题。

三、应用场景

1. 分布式系统通信
2. 微服务架构
3. 浏览器-服务器交互

四、Java示例

// 服务端
try (ServerSocket server = new ServerSocket(8080);
     Socket client = server.accept();
     PrintWriter out = new PrintWriter(client.getOutputStream(), true)) {
    out.println("Hello from Server!");
}

// 客户端
try (Socket socket = new Socket("localhost", 8080);
     BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()))) {
    System.out.println(in.readLine());  // 输出：Hello from Server!
}

五、重要注意事项

1. TCP保证可靠但开销大，UDP高效但不保证可靠
2. 需要处理网络异常
3. JDK12+支持Reactive Socket（异步非阻塞）

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信号（Signal）

一、是什么？
内核向进程发送的异步事件通知（如SIGINT对应Ctrl+C）。

二、解决什么问题
处理进程异常终止、用户中断等紧急事件。

三、应用场景

1. 优雅关闭服务（SIGTERM）
2. 程序调试（SIGTRAP）
3. 子进程状态变更通知（SIGCHLD）

四、Java处理

// 注册关闭钩子（处理SIGTERM）
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
    System.out.println("Cleaning resources before exit");
}));

// 自定义信号处理（Unix-like系统）
sun.misc.Signal.handle(new sun.misc.Signal("USR1"), sig -> {
    System.out.println("Received SIGUSR1");
});

五、重要注意事项

1. 信号处理函数应保持简单
2. 某些信号不可捕获（如SIGKILL）
3. Windows支持有限

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信号量（Semaphore）

一、是什么？
用于进程同步的计数器，控制对共享资源的访问权限。

二、解决什么问题
解决多进程竞争共享资源时的互斥与同步问题。

三、应用场景

1. 数据库连接池管理
2. 打印机等独占设备调度
3. 生产者-消费者缓冲区控制

四、Java实现
Java信号量用于线程级同步，进程间需用JNI：

// 线程级信号量
Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 允许3个并发访问

void accessResource() {
    semaphore.acquire();
    try { /* 使用共享资源 */ } 
    finally { semaphore.release(); }
}

五、重要注意事项

1. 需要防止死锁（获取顺序一致）
2. 信号量不包含数据传递功能
3. System V信号量支持跨进程

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核心区别对比

方式	速度	亲缘要求	数据能力	同步需求	跨主机
管道	中	匿名管道需要	字节流	内置同步	❌
消息队列	中	❌	结构化消息	可选	❌
共享内存	极快	❌	任意大数据	需要同步	❌
Socket	慢	❌	字节流/数据报	内置	✅
信号	极快	❌	仅通知无数据	异步	❌
信号量	快	❌	无数据	同步控制	❌

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总结

1. 性能优先：选择共享内存（需配合信号量同步）
2. 简单通信：亲缘进程用管道，非亲缘用消息队列
3. 网络/分布式：必须使用Socket
4. 紧急事件：信号处理关键中断
5. 资源控制：信号量解决并发访问问题

JDK12+新特性：

• java.net包增强支持HTTP/2和WebSocket
• 响应式编程模型（Reactive Streams）优化Socket通信
• Foreign-Memory Access API（JEP 370）改进共享内存操作

实际开发中，优先考虑：

• 单机高性能 → 共享内存+信号量
• 服务解耦 → 消息队列（如Kafka/RabbitMQ）
• 通用解决方案 → Socket（HTTP/RESTful API）