Linux编程---进程通信

小灰灰 2022-08-23 15:50 114阅读 0赞

Linux的通信方式主要有分类有下面几种:

\-匿名管道和FIFO有名管道

\-消息队列,信号量和共享存储

\-套接字

对于套接字的进程通信,我就留在套接字的文章中再写了.

**一.管道**

管道是最古老的进程通信机制了.提供进程间的单向通信.

**1.创建管道**

int pipe(int fdes\[2\]);

实际上管道通过参数返回读和写的两个文件描述符.相当于是打开了两个文件吧.但是这个文件是特殊的pipe文件.fdes\[0\]表示的是输入,fdes\[2\]表示的是输出.注意,这个函数只创建一个文件,而不是创建两个文件一个用来读,一个用来写.

管道创建调用成功,那么就返回0,否则返回\-1,并设置errno错误条件.

如果向写文件描述符进行读,那么会生成一个SIGPIPE信号,并且当信号被阻塞是将以EPIPE错误失败.管道文件不允许文件定位,读和写操作都是顺序的,读从文件的开始处读,写则写至文件尾.

这么看似乎好像没有和别的进程关联起来.实际上,管道单独使用的话只是创建了两个文件而已,想要使用管道还得使用fork,exec,dup等函数来创建一个进程才能使用.

简答来说,对于创建的进程来说,其读写的文件是相反的.并且对于管道来说,其方向只能是单向的,所以如果你创建了新进程,两个进程至少要关闭一个文件描述符.

**2.popen和pclose函数**

这两个函数是C标准库中的两个函数.并且创建的方式也比系统调用方便.

FILE \*popen(const char \*command,const char \*mode);

int pclose(FILE \* stream);

第一个函数通过第一个参数,解析其命令建立一个新进程.过程就是先建立一个管道,然后派生一个子进程,调用exec启动一个shell程序执行command给出的命令.并立即返回一个管道对应的流指针.

mode的方式只能是”r”和”w”两种方式之一,但是不能两个一起,所以这和一般的文件模式是不同的.

这么来看,这个函数就比用上面的pipe系统调用方便得多.封装了包括fork,exec,dup等一系列调用~当然,这个函数相对自己调用pipe+fork+exec+close来说效率就要差一些了.

**管道IO的原子性**

实际上管道就是一片内存缓冲区.(我记得原来学的时候创建一个管道,然后在图形界面下把管道文件给删了,但是管道仍然正常使用).所以如果写入管道的数据块大小超过这片缓冲区的大小时,内核就要分几次写入了.如果是分批写的话,那么就很可能造成混乱了.试想如果A进程需要分3次写,在写完第二次的时候时间片到了,切换到另外一个进程也要往这个管道写内容,那么就可能导致内容产生混乱.(可以fork出多个子进程向同一个管道进行写操作给父进程数据).如果是一对一的关系就无所谓了,但是对于一对多就需要注意了.

管道缓冲区的大小由定义在头文件<limits.h>中的宏PIPE\_BUF给出.在Linux系统中其值为4096.并且一旦写入PIPE\_BUF个字节至管道后,进一步写管道的操作将阻塞直到有些字节已读出.

**二.FIFO特别文件**

由于管道只能用于存在父子关系的进程之间的通信,为了满足非父子进程关系下的通信.可以用FIFO特别文件.

FIFO特别文件类似于管道,也是半双工方式,并且数据也是按先进先出顺序传送,因此的名FIFO.但是创建的方法与管道不同,管道式匿名通信通道,而FIFO特别文件通过调用mknod()被等级到文件系统,因此FIFO有时也成为有名管道.

与管道的主要不同有:

\--FIFO作为特别文件存在于文件系统中

\--不同祖先的进程可以通过FIFO特别文件共享数据

\--当共享进程完成了所有IO操作后,除非unlink删除它,否则FIFO特别文件将存在文件系统中,并且可以留待下一次使用.

创建了FIFO文件之后,对于任何进程,只要知道了其名字并且有适当的访问权限,就能按照正常文件相同的方法打开它读或者写.

在某个进程读之前,必须有进程表示以写的方式打开这个文件,否则读进程则会一直阻塞.

同理,在写之前也一定要有进程打开了读,否则一样阻塞.

**1.创建FIFO文件**

int mkfifo(const char \*path,mode\_t mode);

int mknod(const char \*path,mode\_t mode,dev\_t dev);

mkfifo创建一个FIFO特别文件,用参数path来指定其路径和文件名.mode参数则用来设置文件的权限.取值和open函数一样.

mknod创建一个给定文件类型的新文件,path同mkfifo.文件类型由mode参数给出,可选的值如下:  
S\_IFIFO 这个就是特别文件

S\_IFCHR 字符特别文件(不可移植)

S\_IFDIR 目录文件(不可移植)

S\_IFBLK 块特别文件(不可移植)

S\_IFREG 普通文件(不可移植)

除开这些个参数,mode还需要另外附加上文件的访问方式,用获得方式组合宏定义.mknod似乎是比mkdir之类函数更底层的函数.

并且这个mode还受umask的修正,对于mkfifo则不受其影响.

由于刚打开时可能造成阻塞(读方式打开没有写进程,写操作打开没有读进程),并且打开文件的时候可以用O\_NONBLOCK标志.第一次操作这个文件,并且打开方式使用了O\_NONBLOCK的时候,open函数会返回\-1,并且设置errno为错误值.

**2.读写FIFO文件**

和管道不同,由于打开FIFO文件可以使用O\_NONBLOCK标志.所以要复杂一些.

没有O\_NONBLOCK的时候读,如果没有可以读的,那么就会阻塞.有O\_NONBLOCK的话,那么就直接返回\-1,并且设置errno为EAGAIN了.

正常情况下如果文件写满了再调用write,那么会一直阻塞,知道信息被读走.完成操作时,返回写入的字节数.当用了O\_NONBLOCK打开的时候,那么不能写则会返回\-1,表示没有写进任何数据.errno也设置为EAGAIN.

原子性和管道一致.对于多个写一个读的时候,最好保证write的进程是不没有使用O\_NONBLOCK的.并且每次写的时候,写入的数据小于PIPE\_BUF的大小.保证写入数据的完整性.

**三.系统V 的IPC**

这个主要有三种进程通信方式:消息队列,共享存储,信号量

每一个IPC资源有两个唯一的标志与之相连:关键字和标识.

**1.关键字**

类型是一个key\_t的长整型.用来命名要使用的IPC资源,以便可以被多个进程引用.进程通过指定一个关键字调用xxxget()函数可获得一个IPC资源的标识,就像指定文件名调用open获得文件描述字一样.

其取值可以为:

IPC\_PRIVATE:其值一般为0.表示总是创建一个新的IPC资源.可以用过xxxget()函数来获得.并且其他进程不可能通过xxxget来获得一样的关键字.但可以通过其他途径获得其标识来访问它.另外,对于进程的子进程是共享这个标志的.

非零值: 表示这个队列可以被多个进程使用.

为了方便应用能像文件一样用路径名来表示IPC资源,C标准库中提供了一个函数ftok可以将文件名转换wei 关键字.

key\_t ftok(const char \*path,int id);

ftok将根据path和id返回一个类型为key\_t的关键字,该关键字可以作为msgget,semget,shmget函数的IPC资源参数.

path参数必须是一个已经存在的文件路径名.id只有低8位有效.如果id的低8位为0,那么ftok的行为不确定.

ftok返回的关键字是根据文件的inode号来确定的.如果文件在删除后又重新创建,那么ftok返回的关键字也会改变,尽管参数一样.

**2.标识**

每一个独立的消息队列,信号量集合和共享存储段都由一个唯一的正整数所标识.如果说关键字类似于文件名,那么表示就类似于文件描述字.

标识对于不同类型是独立的.也就是消息队列和信号量的都有一个标识,那么这两个类型标识值可以相同.

**3.IPC资源描述结构与成员ipc\_perm**

每个IPC的属主在创建这个资源之后,这个资源可以被属主自己或root用户调用IPC控制函数xxxctl将这个IPC资源的所有权转让给其他进程.新的进程将成为这个IPC的当前属主.但创建者仍然保持不变.

每个IPC资源被创建时,内核会在系统内部创建它的标识和一个类型为xxxid\_ds的数据结构与之相连,并存储它的用户,用户组以及其他人的读写全县信息于xxxid\_ds的成员xxx\_perm中.xxxid\_ds为IPC资源描述,与消息队列,共享存储,信号量表示相连的IPC资源描述分别是msgid\_ds,shmind\_ds,semid\_ds.

ipc\_perm结构体中有一下一些成员

uid\_t uid IPC资源当前所有者的用户ID

gid\_t gid IPC资源当前所有者的组

cuid\_t cuid IPC资源创建者的用户ID

cgid\_t cgid IPC资源创建者的组ID

mode\_t mode 读写许可权限.

mode和文件的权限类似.包括自己,组和其他人的一些权限.但和文件不同的是执行权限一般为0.因为对于IPC来说没有意义.具体有哪些宏可以百度mode\_t这个类型.

由于资源可以在进程结束后仍然存在.所以也可以通过命令来查询和删除资源

ipcs和ipcrm两个shell命令就是用来查询资源和删除资源.

两个命令用\-q,-m,-s来指定类型.

**四.消息队列**

消息队列类似FIFO.也是半双工的,只能单向.但是和FIFO不同,对于消息队列其信息是离散的,一段一段的信息.这些信息可以有不同的结构和优先级.这样通信的方式也更灵活了.实际上消息队列是内核地址空间的内部链表.

对于消息队列而言,内核维护一个msqid\_ds数据结构,记录了消息队列的特征和当前状态.虽说是内核空间的东西,但是对于应用而言会常常访问它.结构中的成员如下:

struct ipc\_perm msg\_perm 操作许可权限数据结构指针

struct msg \*msg\_first 指向队列中第一条消息的指针

struct msg \*msg\_last 指向队列中最后一条消息的指针

pid\_t msg\_lspid 最后一个发送消息的进程ID

pid\_t msg\_lrpid 最后一个接受消息的进程ID

time\_t msg\_stime 最后一条消息的发送时间

time\_t msg\_rtime 最后一条消息的接受时间

time\_t msg\_ctime 最后的改变时间

unsigned short msg\_qnum 队列中当前消息个数

unsigned short msg\_qbytes 队列中所允许的最大字节个数

unsigned short msg\_cbytes 队列中当前字节数

这些结构体信息可以用msgctl来查看.

消息正文存放在用户分配的消息缓冲区中被发送和接受.消息缓冲区是一个结构,系统除了要求它的第一个成员必须是long int类型且值大于0外,对其他成员不做限定.第一个成员给出消息类型.通常,我们将消息缓冲区十位一个msgbuf类型的结构,并把它看作是所有消息的模版,如下所示:

struct msgbuf\{  
long int mtype; 消息类型

char mtext\[1\]; 消息正文

**1.创建和获得消息队列**

int msgget(key\_t key,int flags);

参数key就是队列的关键字;参数flags除开文件权限的宏外,还有以下两种宏

IPC\_CREAT: 如果不存在与key相连的IPC资源,创建它:若未指定IPC\_CREATE且系统中不存在相同key值的IPC资源,shmget()将失败返回

IPC\_EXCL: 若已经存在与key相连的IPC资源,调用失败.

如果是调用来创建一个新的消息队列,那么内核会创建一个msqid\_ds结构.msqid\_ds结构成员msg\_perm包含属主信息和访问权限.

将key值指定为IPC\_PRIVATE,msgget将总是创建一个消息队列.如果在flags中设置IPC\_CREAT标志.同样也会创建新队列.单独设置IPC\_EXCL没有作用,它与IPC\_CREAT一起用来保证不会打开一个已经存在的队列.如果只指定IPC\_CREAT,msgget要么返回新创建的消息队列ID,要么返回具有相同key值的消息队列ID.

当flags为0时,可以用来得到与key相关的进程ID.

**2.消息队列的查询,设置和删除**

int msgctl(int msgid,int cmd,struct msqid\_ds \*buf);

msgctl对消息队列msqid执行参数cmd要求的控制操作.cmd可以取以下值:

IPC\_STAT: 复制消息队列的内核数据机构msqid\_ds到buf所指用户区.此命令用于查看消息队列的状态

IPC\_SET: 用buf结构中给出的值设置消息队列msqid内核数据结构中成员msg\_perm的uid,gid,mode,qbytes的值.此命令用于改变消息队列状态.

IPC\_RMID: 删除msqid指定的消息队列

这些命令中,对于STAT来说,必须具有消息队列的读权限.执行IPC\_SET和IPC\_RMID命令的进程只能是消息队列的创建者,拥有或特权进程.此外,只有特权进程才可以增大消息队列的字节数.

如果msgctl调用成功返回0,否则返回\-1并设置errno.

**3.发送和接收消息**

int msgsnd(int msqid,const void \*msgp,size\_t msgsz,int msgflg);

ssize\_t msgrcv(int msqid,void \*msgp,size\_t msgsz,long int msgtyp, int msgflg);

两个函数中参数msqid必须为消息队列ID.第二个参数msgp是指向用户消息缓冲区的指针.消息缓冲区应当指定为上面说的msgbuf类型的结构体(我觉得既然已经确定按某种形式来分析消息了,为什么还要用void\*...).并且消息类型实际上就是优先级.第三个参数就是正文的大小了,而不是整个结构体的大小必须大于0且小于系统限制值MSGMAX..

1)发送消息

msgsnd向消息队列msqid发送一条消息.要发送的消息存放在msgp所指用户消息缓冲区中.

当在以下情况时,msgsnd会阻塞

\--消息队列中的总字节数已等于msg\_qbytes()

\--系统中所有消息队列中的消息总数已达到系统施加的限制值.

从阻塞返回也有以下几种情况:  
\--消息可以被发送了...

\--消息队列已经从系统中删除.此时会设置errno为EIDRM并且返回\-1.

\--调用进程收到一个信号.调用被中断,设置errno为EINTR并返回\-1.

和一般IO一样,可以通过msgflg来设置为不阻塞的状态IPC\_NOWAIT.当发生阻塞时,消息不被发送,调用将设置errno为EAGAIN并立即返回.

2)接收消息

这个函数就是msgsnd的反过程.主要说明一下第四个和第五个参数

第四个参数指明要接受的消息类型.

=0 接受队列中的第一个消息.即顺序接受消息

>0 接受类型等于msgtyp的第一个消息.只用于接受某种特定类型的消息.感觉和=0的情况差不多吧.

<0 接收类型小于或等于msgtyp绝对值的第一个最低类型的消息.用于接收优先消息.也就是说消息中的第一个long int的值越小优先级越高.

第五个参数msgflg指明所系统的消息不在队列时,以及接受消息大小大于msgsz给定值时采取的动作.它有两个宏:

MSG\_NOERROR: 表示消息过大的时候自动截断.否则未使用时将设置errno为E2BIG

MSG\_NOWAIT: 表示接收消息并不阻塞.

阻塞的状况下错误和msgsnd的形式一样.

**五.共享存储段**

共享存储段是通过内存来共享信息内容.这个方式是最快的,但是其本身并不提供任何同步,所以写代码会麻烦一些.可以用后面的信号量一起使用.

**1.创建和获得共享存储段**

int shmget(key\_t key,size\_t size,int shmflg);

key和消息队列一样.用IPC\_PRIVATE表示创建一个私有共享存储段,其他情况函数的动作还取决于shmflg中的IPC\_CREAT和IPC\_EXCL..

类似的shmflg可以设置除IPC\_CREAT和IPC\_EXCL外,还可以设置权限.

调用成功的话,返回与key相关的存储段ID.同时key相连的数据机构shmind\_ds结构成员如下:

struct ipc\_perm shm\_perm 操作稀客权限数据结构指针

size\_t shm\_segsz 共享存储段的大小,单位为字节

pid\_t shm\_lpid 最后对共享存储进行操作的进程pid

pid\_t shm\_cpid 创建进程的ID

shmatt\_t shm\_nattch 当前连接数number of current attaches

time\_t shm\_atime 最后调用shmat的时间

time\_t shm\_dtime 最后调用shmdt的时间

time\_t shm\_ctime 最后调shmctl的改变时间

**2.共享存储段的查询,设置和删除**

int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid\_ds \*buf);

shmid即共享段的标志.参数cmd指定操作,与消息队列的情况类似,cmd的取值可以是IPC\_STAT,IP\_SET和IPC\_RMID.对应查询,设置和删除.对于查询要具备读权限.对于SET而言,并不影响已经连接了该共享存储段的进程读写权限.对于RMID来说,调用之后不允许进程再与其连接,共享段仍然存在,直到最后一个连接进程与其分离之后才从系统中删除.这时如果有新进程连接这个段,那么会重新创建一个段.

调用成功返回0,否则返回\-1并设置errno.

**3.共享存储段的连接和分离**

创建共享段时,我们并不知道其共享段的地址.实际上在创建之后还涉及一个连接和分离的过程.

void \*shmat(int shmid,const void \*shmaddr,int shmflg);

int shmdt(const void \*shmaddr);

前一个函数是连接,后一个是分离.

对于第一个函数来说,shmid是其共享段ID.shmaddr则是用来指定共享段地址,可以是0让系统分配,也可以是一个地址值.通常就填写为0了.如果是地址值,通常要是页面的整数值.

shmflg可以设置两个宏:

SHM\_RND: 设置这个标致之后,对于shmaddr为非0的时候,实际的地址会变成shmaddr-(shmaddr%SHMLBA)这个值.SHMLAB是系统定义的共享存储最小对齐边界大小.

SHM\_RDNOLY: 存储段是只读的.

对于第二个分离函数来说.分离并不一定会导致共享段被删除.调用了shmctl并设置IPC\_RMID之后并且连接数为0才会删除共享段.实际上当进程结束的时候,系统也会自动的分离共享段.

当连接之后,进程就可以通过地址,把其当作一个大数组来用了~

**六.信号量**

信号量就是可以多次计数的一种同步方式.而互斥量则是只有0和1.

semid\_ds结构成员如下:  
struct ipc\_perm sem\_perm; 操作许可权限数据结构指针

struct sem \*sem\_base; 指向信号量集合的指针

unsigned short int sem\_nsems; 集合中信号量的个数

time\_t sem\_otime; 最后一次操作的时间

time\_t sem\_ctime; 最后一次改变此结构的时间

sem结构成员

unsigned short semval; 信号量当前值

pid\_t sempid; 最后操作该信号量的进程ID

unsigned short semncnt; 等待对该信号量执行P操作的进程数

unsigned short semzcnt; 等待semval=0的近成熟

**1)创建和获得信号量标识**

int semget(key\_t key,int nsems,int semflg);

key与semflg和上面的共享内存一样,.这里主要写一下nsems指明信号量集合中信号量的个数.(注意是集合,而不是单个信号量!!!)并且这个值是有限制的.必须大于0且小于SEMMSL.Linux中默认值为250.当key所指定的信号量集合已经存在时,nsems必须为0,或者大于集合原来的信号量数.否则调用失败.一般取0就可以了.

返回值为信号量的ID,即标识.

**2)信号量的查询,设置和删除**

int semctl(int semid,int semnum,int cmd,\[union semun arg\]);

第一个参数指定标识ID,第二个则是信号集合中的第几个信号.cmd则是操作.第四个参数比较特别,它是可选的.结构如下

union semun\{  
int val; 用于SETVAL命令,指明要设置的信号量值

struct semid\_ds \*buf; 用于IPC\_STAT/IPC\_SET命令,指向存放信号量集合数据结构的缓冲区

unsigned short \*array; 用于GETALL/SETALL命令,存放所获得的或要设置的信号量集合中所有信号的值.

cmd命令有以下一些选项:  
SETVAL 设置单个信号的值 用arg.val

GETALL 返回信号量集合中所有信号量的值 arg.arry

SETALL 设置信号量集合中所有信号量的值 arg.arry

IPC\_STAT 放置与信号量集合相连的semid\_ds结构的当前值于arg.buf指定的缓冲区

IPC\_SET 用arg.buf指定结构值替代与信号量集合相连的semid\_ds结构值

GETVAL 返回单个信号量的值

GETPID 返回最后一个操作该信号量集合的进程ID

GETNCNT 返回semncnt的值

GETZCNT 返回semzcnt的值

IPC\_RMID 删除指定的信号量集合

通常常用的就SETVAL和IPC\_RMID.对于其他的完全可以写个函数封装起来...

调用这个函数要注意两点:  
\---对于不同命令,semctl要求不同的参数,其中有的参数可能是无用的,应当指定参数值为0.

\---联合semun的成员buf和array均为指针,在使用之前一定要指向一个可用空间.

**3)信号量操作**

int semop(int semid,struct sembuf \*sops,size\_t nsops);

第一个参数即信号集合标识,第二个参数sembuf结构的成员如下:  
unsigned short int sem\_num; 信号量编号

short int sem\_op; 信号量操作

short int sem\_flg; 操作标志

op有以下取值

<0 减少一个信号量额值.减少量为其绝对值.当不够减时,则阻塞,直到足够减.

=0 等待信号量变为0.一直阻塞直到为0.

>0 增加一个信号量的值.增加量就是其大小.

sem\_flg有以下标志:

IPC\_NOWAIT: 表示不阻塞

SEM\_UNDO: 当进程退出时,执行信号量解除操作.对于指定了这个宏的信号量,内部有一个semadj变量与之相连,它的作用是在进程死亡时调整信号量的值.也就是如果一个信号量的值减少了x,那么它就加上semadj;反之则减少semadj.设置了这个宏之后,对这个信号量的反操作也要设置SEM\_UNDO.这样才能保证最后信号量能恢复到0.

最后第三个参数则是指定第二个参数有多少个struct sembuf元素.取值范围为0~SEMOP.其中SEMOP是一个可配置的系统参数,规定了单个semop调用允许的最大操作个数.

只有当集合中所有信号量操作都能成功时才成功返回,且返回值为0.如果集合中某个信号量操作不能完成,则所有操作都不会执行.如果操作没有设置IPC\_NOWAIT则会一直阻塞.直到以下一种情况发生:

\--所有操作完成.

\--进程收到一个信号

\--信号量集合被删除.

内核会保证任何时刻只有一个进程能够操纵信号量集合.如果多个进程发送操作请求,那么内核会一个个的响应,但是顺序是随机的.