【Linux】进程间通信原理与Reactor模式

一、用户进程缓冲区和内核缓冲区

缓冲区的目的，是为了减少频繁的系统IO调用。大家都知道，系统调用需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束调用之后回来还需要恢复之前的信息，为了减少这种损耗时间、也损耗性能的系统调用，于是出现了缓冲区。

有了缓冲区，操作系统使用read函数把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区，write把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区中。等待缓冲区达到一定数量的时候，再进行IO的调用，提升性能。至于什么时候读取和存储则由内核来决定，用户程序不需要关心。

在linux系统中，系统内核也有个缓冲区叫做内核缓冲区。每个进程有自己独立的缓冲区，叫做进程缓冲区。

因此，用户程序的IO读写程序，大多数情况下，并没有进行实际的IO操作，而是在读写自己的进程缓冲区。

前面提到，用户进程通过系统调用访问系统资源的时候，需要切换到内核态，而这对应一些特殊的堆栈和内存环境，必须在系统调用前建立好。而在系统调用结束后，cpu会从核心模式切回到用户模式，而堆栈又必须恢复成用户进程的上下文。而这种切换就会有大量的耗时。

你看一些程序在读取文件时，会先申请一块内存数组，称为buffer，然后每次调用read，读取设定字节长度的数据，写入buffer。（用较小的次数填满buffer）。之后的程序都是从buffer中获取数据，当buffer使用完后，在进行下一次调用，填充buffer。

所以说：用户缓冲区的目的是为了减少系统调用次数，从而降低操作系统在用户态与核心态切换所耗费的时间。

除了在进程中设计缓冲区，内核也有自己的缓冲区。

当一个用户进程要从磁盘读取数据时，内核一般不直接读磁盘，而是将内核缓冲区中的数据复制到进程缓冲区中。

但若是内核缓冲区中没有数据，内核会把对数据块的请求，加入到请求队列，然后把进程挂起，为其它进程提供服务。

**等到数据已经读取到内核缓冲区时，把内核缓冲区中的数据读取到用户进程中，才会通知进程。**当然不同的io模型，在调度和使用内核缓冲区的方式上有所不同，下一小结介绍。

你可以认为，read是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区。write是把进程缓冲区复制到内核缓冲区。

当然，write并不一定导致内核的写动作，比如os可能会把内核缓冲区的数据积累到一定量后，再一次写入。这也就是为什么断电有时会导致数据丢失。

所以说内核缓冲区，是为了在OS级别，提高磁盘IO效率，优化磁盘写操作。

参考连接：

进程空间分为：代码区、数据区、堆区、栈区

linux的虚拟空4G，分为内核空间和用户空间，其中最开的（3G）0x00000000-0xBFFFFFFF为各个进程使用，也叫用户空间，最高处的（1G）0xC0000000-0xFFFFFFFF作为内核空间供内核使用,Linux内核空间由系统内的所有进程共享。

于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟地址空间(也叫虚拟内存)。其中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的1GB内核空间则为所有进程以及内核所共享。

用户进程通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间的虚拟地址。例外情况只有用户进程进行系统调用（代表用户进程在内核态执行）等时刻可以访问到内核空间。
用户空间对应进程，所以每当进程切换，用户空间就会跟着变化；而内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程变化，是固定的。内核空间地址有自己对应的页表，用户进程各自有不同的页表。
每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的。

参考连接：

每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到。所以进程之间要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲区。进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信机制。

主要的过程如下图所示：

用户态切换到内核态是通过系统调用实现的，比如 read就是一个系统调用。应用程序通过调用read来读写数据(将内核空间的数据搬到用户空间中，这样我们才能够对数据进行操作)。

要求主线程（I/O处理单元）只负责监听文件描述符上是否有事件发生，有的话就立即将该事件通知工作线程（逻辑单元），将 socket 可读可写事件放入请求队列，交给工作线程处理。除此之外，主线程不做任何其他实质性的工作。读写数据，接受新的连接，以及处理客户请求均在工作线程中完成。

使用同步 I/O（以 epoll_wait 为例）实现的 Reactor 模式的工作流程是：

主线程往 epoll 内核事件表中注册 socket 上的读就绪事件。
主线程调用 epoll_wait 等待 socket 上有数据可读。
当 socket 上有数据可读时， epoll_wait 通知主线程。主线程则将 socket 可读事件放入请求队列。
睡眠在请求队列上的某个工作线程被唤醒，它从 socket 读取数据，并处理客户请求，然后往 epoll 内核事件表中注册该 socket 上的写就绪事件。
当主线程调用 epoll_wait 等待 socket 可写。
当 socket 可写时，epoll_wait 通知主线程。主线程将 socket 可写事件放入请求队列。
睡眠在请求队列上的某个工作线程被唤醒，它往 socket 上写入服务器处理客户请求的结果。 Reactor 模式的工作流程：

因为每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），共享1GB的内核空间。内核缓冲区的大小是有限的。 进程想写时，tcp 发送缓冲区缓冲区不一定有空间，需要先注册写事件，由内核判断TCP内核缓冲区有没有写满。如果没有写满，我就可以往里面写。线程同理，差不多。

tcp 或udp收发缓冲区最小值

tcp 或udp接收缓冲区的最小值为 256 bytes，由内核的宏决定；

tcp 或udp发送缓冲区的最小值为 2048 bytes，由内核的宏决定。