Linux下进程通信知识点学习笔记（一）

Love The Way You Lie 2022-04-22 07:54 242阅读 0赞

4种主要事件导致进程创建：

1.  系统的初始化；
2.  执行了正在运行的进程所调用的进程创建系统调用；
3.  用户请求创建一个进程；
4.  一个批处理作业的初始化；

进程的终止：

1.  正常退出；
2.  出错退；
3.  严重错误；
4.  被其他进程杀死；

当编译器给定程序的编译工作之后，编译器执行一个系统调用，通知操作系统它的工作已经完成，在unix/linux系统中调用的是exit()。

进程的状态：运行态，就绪态，阻塞态；

多线程提供了一种解决方案，有关的进程可以用一个输入线程，一个处理线程和一个输出线程构造。输入线程把数据读入到输入到缓冲区中，处理线程从输入缓冲区中取出数据，处理数据，并把结果放到输出缓冲区中；输出线程把这些结果写到磁盘上。这种模型只有当系统调用只阻塞调用线程而不是阻塞整个进程时，才能正常工作。

进程通信（Inter Process Communication, IPC）

涉及共享内存、共享文件和共享任何资源的情况都会引起冲突，最终的结果取决于程序运行的精确时序，称为竞争机制。需要采取“互斥”操作，使多个进程不可能同时处于临界区中。一个好的解决方案，需要满足4个条件：

1.  任何两个进程不能同时处于其临界区；
2.  不应对CPU的速度和数量做任何假设；
3.  临界区外运行的进程不得阻塞其他进程；
4.  不得使进程无限期等待进入临界区；

**中断**是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

进程中的ID，声明为pid\_t类型：

1.  进程ID：pid，利用getpid()函数可以获得；
2.  父进程ID：ppid，利用getppid()函数可以获得；
3.  有效用户ID：euid，可以由geteuid()函数获得；
4.  有效组ID：egid，可以由getegid()函数得到；
5.  实际用户ID：uid，可以由getuid()函数获得；

这六个ID保存在内核中的数据结构中。

**进程函数：**

pid\_t fork(void);对于父进程返回紫禁城的进程ID，对于子进程返回0。子进程复制的是父进程的数据段和堆栈段，并和父进程共享代码段。fork()函数出错的原因：系统中已经有太多进程，调用fork()函数的用户进程太多。

pid\_t vfork(void);与其说是创建进程不如说是创建了一个线程，子进程与父进程共享所有资源，子进程对共享资源的修改会影响到父进程，两者共用一个进程ID。子进程一定比父进程先运行完，子进程运行期间父进程相当于被阻塞。返回讯息与fork()函数一样。

void exit(int status);【stdlib.h】这个退出函数会深入内核注销进程的内核数据结构，并且释放进程的资源。

int exec(const char \* pathname, const char \* arg0, ……)；Linux下使用该函数执行一个新函数，该函数在文件系统中搜索指定路径的文件；

int system(const char \* cmdstring)；【stdlib.h】参数cmdstring是需要执行的shell命令，该函数是一个库函数，其中封装了fork、exec、waitpid三个系统调用。

pid\_t wait(int \* statloc);调用wait()函数的进程会被阻塞，直到进程的任何一个子进程结束（在利用fork函数创建进程之后wait类似于vfork创建的子进程），该函数会返回最近结束的的子进程的进程ID。若是想要等待指定子进程结束，可以利用while(pid != wait(&status));

pid\_t waitpid(pid\_t pid, int \* statloc, int options)；等待指定的进程结束，第一个参数为指定的进程ID，第二个参数为和wait函数中相同，接收进程返回的执行结果，第三个参数是控制选项。

当父进程创建的子进程退出后，父进程没有回收子进程的的结束信息时，子进程就变成了一个僵尸进程。当父进程在子进程结束之前结束运行，这时该子进程就成为孤儿进程，Linux中由init进程负责领养所有的孤儿进程，作为系统的守护进程，init进程被设计为永远调用wait()函数，即init进程的子进程不会是僵尸进程，可以使用这种方法避免僵尸进程的产生。

time\_t time(time \* t);【time.h】Linux/Unix中由time函数提供时间，参数t为一个time\_t类型的指针。

**信号及信号处理**

信号是一种进程通信的方式，又称为软中断。一个进程一旦受到信号就会打断原来的程序执行流程来处理信号，这种通信方式是异步的。使用 kill –l 命令可以查看当前系统所支持的信号列表即相应编号；

5种方式产生信号：

1.  用户通过终端快捷键组合，Ctrl+c产生SIGINT，Ctrl+z产生SIGKILL；
2.  硬件异常产生信号，有硬件检测通知内核，内核通过信号通知当前的进程；
3.  一个进程调用kill(2)函数向另一个进程发送信号；
4.  利用kill(1)命令发送某个信号给某个进程，kill(1)也是调用kill(2)实现的；
5.  当内核检测到某种软件条件发生时，也可以通过信号通知进程；

**处理信号**

对于一个信号，Linux环境下的进程只有3种处理方式：

1.  忽略此信号；
2.  注册一个信号处理函数，并要求内核在接收到信号时切换到用户套调用该处理函数，这种方式称为捕捉到一个信号。用户程序需要对某些信号做一些自定义的处理；
3.  执行默认动作，不同的信号有不同的系统默认动作，系统使用的默认动作只有两种：终结此信号或者忽略此信号；

在进程捕捉到信号之后，无论进程执行到何处都会跳到信号处理函数中执行，从信号处理函数返回后再恢复之前的代码位置继续执行。信号处理函数不判断此时进程执行到何处；

原子操作：不会被线程调度机制打断的操作。**volatile**是一个类型修饰符，**volatile**的作用是作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略，且要求每次直接读值。

Linux允许用户自定义信号处理函数，还提供借口，共使用者产生一个信号。

**设置信号处理函数**

void (\*signal (int signo, void (\* func))) (int)；【signal.h】 Linux允许用户提供自己的信号处理函数，使用signal()函数将处理函数加载，并且通知系统。该函数的第一个参数为需要加载的信号，第二个参数为信号处理函数的函数指针（函数名），该函数返回一个函数指针，指向上一次的信号处理程序。如果加载错误，返回SIG\_ERR。常用语句“if(signal(SIGUSR1, handler) == SIG\_ERR)\{\}”

void handler(int signo)；信号处理函数的原型；

int kill(pid\_t pid, int signo)；信号发送函数原型，发送成功返回0，否则返回-1；

发送信号需注意：

1.  该进程有向另一个进程发送信号的权限；
2.  系统进程不能接收信号；

int raise(int signo)；向本进程发送信号的函数，相当于kill(getpid(), int signo)。该函数可以实现exit()函数功能使进程退出，所不同的是此用法不作任何善后处理。

设置Linux定时器

unsigned int alarm(unsigned int seconds)；函数的参数表示设置的秒数，如果系统时间超过该时间后函数就会向调用它的进程发送一个SIGALRM信号，这个信号的默认动作是终止调用该函数的进程。当函数的参数是0的时候可以取消一个定时器。如果之前没有设置定时器，则设置定时器时成功则返回0，若之前设置过定时器且已经超时，则调用定时器函数时依然返回0，若之前设置了定时器尚未超时调用该定时器函数返回剩余的秒数；

int pause(void)；运行、阻塞、就绪是进程的三个基本状态，就绪态的进程可以被调度，阻塞的进程由于不能运行所以不参与调度。有时候当一个进程的运行条件已经具备时仍需要进程阻塞（例如考虑到时间上的调度顺序，sleep()），这种由进程自愿进入阻塞的情况称为进程挂起，Linux下使用pause()函数挂起一个进程；pause()函数是调用该函数的进程进入到挂起状态，直到一个信号到来，并且执行一个信号处理函数从其返回后，pause函数才返回-1。

unsigned int sleep(unsigned int nsec)；pause()函数使进程无时间限制的国企，若想使进程在一定时间后恢复运行则使用sleep函数。sleep()函数返回值分两种：

1.  挂起的时间超过了指定的休眠时间，返回0；
2.  挂起期间被信号唤醒，这时sleep函数返回挂起以来经过的时间。

**信号集**

进程所能够捕捉并处理的信号称为信号集，信号机的实现通常是一个位向量，其中的每一位对应产生一个Linux系统中的信号。其数据类型为sigset\_t，信号集处理函数【signal.h】：

int sigemptyset(sigset\_t \*set)；清空信号集，即所有的位置0；

int sigfillset(sigset\_t \*set)；信号集全部填充，将所有的位置1；

int sigaddset(sigset\_t \*set, int signo)；信号集添加某信号；

int sigdelset(sigset\_t \*set, int signo)；信号集删除某信号；

int sigismember(sigset\_t \*set, int signo)；检查某信号是否在信号集中，在返回1；

**屏蔽信号**

希望进程阻塞一些信号，及时接收到该信号，也不用做处理。阻塞一个信号称为信号屏蔽。每一个进程内部有一个信号屏蔽字，标记屏蔽信号。

int sigprocmask(int how, const sigset\_t \*restrict set, sigset\_t \*restrict oset)；第2个参数是一个信号集，该信号集中被设置的位表示需要被屏蔽的信号，第3个参数表示原来的屏蔽信号集，第1个参数指定三种关系：

1.  SIG\_BLOCK将set集合中信号添加到屏蔽集；
2.  SIG\_UNBLOCK将set集合中信号从屏蔽集中解除；
3.  SIG\_SETMASK将屏蔽集重置为set；

如果第2个参数是NULL，表示忽略原来的信号屏蔽字。**restrict**为类型限定符，用于告诉编译器，对象已经被指针所引用，不能通过除该指针外所有其他直接或间接的方式修改该对象的内容。

**进程通信**

IPC类型：

1.  管道：半双（全双）匿名（FIFO）/命名管道
2.  System V/POSIX IPC：消息队列、信号量、共享存储
3.  网络进程通信：Socket套接字（Streams）

管道在系统中相当于一个文件，来缓存所要传输的数据，某些方面与文件又不同，例如在数据读出后管道中就没有数据了。匿名半双工管道的特性：数据智能在一个方向上流动，只能在具有公共祖先的进程之间进行通信。

int pipe(int fd\[2\])；Linux下利用pipe()函数创建一个匿名半双工管道，参数int fd\[2\]是一个长度为2 的文件描述符数组，fd\[0\]是数据读出端，fd\[1\]则是数据写写入端，函数返回0代表管道创建成功。

与pipe()函数配套使用的函数close(fd\[0\])、close(fd\[1\])关闭管道两个端口，释放文件资源。

write(fd\[1\], char \*str, size\_t length)；向管道中写入数据，数据长度可设置为BUSZ；

read(fd\[0\], char \*str, size\_t length)；从管道中读出数据；

\#define BUSZ PIPE\_BUF；BUSZ为管道默认一次性读写的数据；

在使用管道进行数据传输的时候，要注意维护管道的顺序，当父进程创建了管道，只有子进程已经继承了管道之后，父进程才可以执行关闭管道的操作。

**创建管道的标准库函数**

FILE \*popen( const char\* command, const char \*mode)；【stdio.h】command是一个在shell中可运行的命令字符串指针，例如“cat in.txt”。参数mode是一个操作字符指针：r或者w，popen()函数返回值是一个读或者写文件指针。popen()函数先创建一个管道，调用/bin/bash –c来执行参数中的command命令字符串。然后函数返回一个标准的I/O文件指针。

int pclose( FILE \*stream);该函数的参数stream是一个popen()函数打开的文件描述符，pclose函数即关闭管道。