Linux进程间通信

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-05-24 05:20 257阅读 0赞

### 进程间通信 ###

**（1）什么是进程间通信？**  
进程间通信（**IPC**）是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。因为即使只有一个用户发出要求，也可能导致一个操作系统中多个进程的运行，进程之间必须互相通话。IPC接口就提供了这种可能性。

**（2）进程间通信的目的是什么？**  
进程间通信的目的一般有以下几点：

*  **数据传输：**一个进程需要将它的数据发送给别的进程
 *  **资源共享：**多个进程间需要共享相同的资源
 *  **进程控制：**一个进程需要控制别的进程的执行（如Debug进程），此时控制进程需要拦截另外一个进程的所有陷入和异常，并及时知道它的状态改变
 *  **通知事件：**一个进程需要给另一个(组)进程发送消息，通知它(们)发生了某种事件（如子进程的终止通知父进程）

**（3）进程间通信经历了哪几个阶段？**

> ps:想要快速学习Linux进程间通信接口接口使用的朋友，可以跳过这个问题

1.  管道(**pipe**)是第一个广泛使用的IPC形式，既可以在程序中使用，也可以从shell中使用。管道的问题在于它们只能在具有共同祖先（父子进程关系）的进程间使用，最初的管道称为**匿名管道**，但是**命名管道**的出现解决了这个问题。
2.  **System V进程间通信**。System V消息队列是在20世纪80年代加入到System V内核中的。后面有陆陆续续的添加了这几种带有System V通信特色的进程间通信方式：**共享内存，信号量**。直到现在System V进程间通信系列的接口也是比较主流的。
3.  **Posix进程间通信**。Posix实时标准最初发布了Posix消息队列，它们可以用在同一主机上的不同进程而不受亲缘关系干扰（事实上只有匿名管道是受的），后来又加入了**Posix信号量**和**Posix共享内存区**。
4.  **互斥锁和条件变量**事有Posix线程标准定义的两种同步形式。尽管往往用于线程间的同步，但是它们也能提供不同进程之间的同步。
5.  **读写锁**是另外一种形式的同步。

**（4）IPC对象的持续性分为哪些类型？**  
下图汇总了各种类型IPC对象的持续性：

![IPC对象持续性][IPC]

**（5）进程间通信的方法有哪些？分别怎么用？**

进程间通信的方法有：

*  匿名管道
 *  命名管道
 *  System V 消息队列
 *  System V 共享内存
 *  System V 信号量
 *  Posix系列：消息队列，共享内存，信号量，互斥量，条件变量，读写锁

> PS：下面我只讲解管道和System V系列的进程间通信方法

**1.管道**  
定义：从一个进程连接到另一个进程的数据流称为管道。（‘|’是命令行中管道的符号）  
eg:  
命令: who | wc -l  
![匿名管道][70]

**创建匿名管道：**  
函数原型：int pipe(int fd\[2\])  
参数说明：fd是文件描述符数组，fd\[0\]表示读端，fd\[1\]表示写端。  
返回值：成功则返回0，失败则返回错误码。  
![匿名管道创建][70 1]

使用实例：从键盘读取数据写入管道，然后从管道读取并写到屏幕上。

#include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #include<string.h>
    #include<unistd.h>
    #define ERR_EXIT(n) \ //封装一个宏结构，下面的代码都可以使用
    do\
    {\
        perror(n);\
        EXIT(EXIT_FAILURE);\
    }while(0)
    int main(void)
    {
        int fd[2];
        char buf[100];//缓冲区
        int len;
        if( pipe(fd) != 0)
            ERR_EXIT("pipe");
        //从键盘读
        while(fgets(buf, 100, stdin)){
            len = strlen(buf);
            //写入管道
            if( write(fd[1], buf, len) != len)
                ERR_EXIT("write to pipe");
            memset(buf, 0x00, sizeof(buf));//清空缓冲区
            //从管道读
            if((len = read(fd[0], buf, 100)) == -1)
                ERR_EXIT("read to pipe");
            //写到标准输出，即屏幕，1号文件描述符即标准输出
            if(write(1, buf, len) != len)
                ERR_EXIT("write to stdout");
        }
    }

**管道读写规则**

1.当没有数据可读时

*  O\_NONBLOCK disable:read调用阻塞，进程暂停执行，持续等待有数据到来
 *  O\_NONBLOCK enable:read调用返回-1,errno值为EAGAIN

2.当管道满时

*  O\_NONBLOCK disable:write调用阻塞，直到有进程读走数据
 *  O\_NONBLOCK enable:调用返回-1.errno值为EAGAIN

3.如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0  
4.如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生吸纳后SIGPIPE,进而可能导致进程退出  
5.当要写入的数据量不大于PIPE\_BUF时，Linux保证写入的原子性，否则不再保证

**管道特点**

*  只能用于具有共同祖先的进程之间进行通信，通常一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父子进程之间就可以应用该管道
 *  管道提供流式服务
 *  一般，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期跟随进程
 *  一般，内核会对管道操作进行同步和互斥
 *  管道是半双工的，数据只能往一个方向流动，需要双方通信时，需要建立两个管道（看图）

![这里写图片描述][70 2]

**命名管道**

*  如果我们想在不相关的进程之间交换数据， 可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称作命名管道
 *  命名管道是一种特殊类型的文件

在命令行上创建：  
`mkfifo filename`  
在程序里创建可以依靠函数：  
函数原型：int mkfifo(const char \*filename, mode\_t mode);  
使用实例：

int main(void)
    {
        mkfifo("p1",0644);//创建一个名字为p1的FIFO文件，权限为644
        return 0;
    }

**匿名管道和命名管道的异同**

*  匿名管道用pipe函数创建并打开
 *  命名管道用mkfifo函数创建，用open打开
 *  FIFO和pipe只要创建工作完成后，它们具有相同的语义

**2.消息队列**

**介绍**  
消息队列可以认为是一个消息链表。不同的拥有足够写权限进程（线程）可以往队列中放置消息，拥有读权限的进程（线程）也可以从消息队列中取消息。每一个消息都是一个记录记录，它由发送者赋予一个优先级。在某个进程往一个队列中写入消息之前，并不需要另外某个进程在该队列上等待消息的到达，这跟管道和FIFO是有区别的，对于后两者来说，除非读者已经存在，否则先有写者是没有意义的。

一个进程可以往某个队列中写入一些消息，然后终止，再让另外某个进程在以后某个时刻读出这些消息。消息队列具有**随内核的持续性**，这跟管道和FIFO不同，当一个管道或者FIFO最后一次关闭发生时，仍在该管道或FIFO上的数据将被丢弃。

**消息队列接口函数**

1>消息队列的创建  
函数原型:

*  int msgget(key\_t key, int msgflg);

参数：

*  key:某个消息队列的名字
 *  msgflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志相同  
    返回值：成功返回一个非负整数（消息队列的标识码）失败返回-1

2>消息队列的控制  
函数原型：

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

参数：

*  msgid:消息队列标识码
 *  cmd:将要采取的动作（见下表）

返回值：成功返回0，失败返回-1

![这里写图片描述][70 3]

3>消息的添加  
函数原型：

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

参数：

*  msgid:消息队列标识码
 *  msgp:指针，指向准备发送的数据的起始地址
 *  msgsz:所发送消息的长度（长度不包含保存消息类型的那个长整形）
 *  msgflg:控制着当前消息队列满，或到达系统上限时将要发生的事情

返回值：成功返回0，失败返回-1  
函数说明：  
\- 消息队列结构在两方面受到制约：  
1.它必须小于系统限定的上限值  
2.它必须以一个long int开始，接收者函数利用这个长整形确定消息的类型

*  消息结构的形式如下：

struct msgbuf{
        long mtype;
        char mtext[you want size];
    };

4>消息的接收  
函数原型：

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

参数：

*  msgid:消息队列标识码
 *  msgp:指向准备接收的消息的指针
 *  msgsz:要接收的消息长度（不包含消息结构中的long int)
 *  msgtype:控制接收优先级的简单形式
 *  msgflg:控制着队列中没有相应类型的消息可供接收时将要发生的事

返回值：成功则返回实际放到接收缓冲区中的字符个数，失败返回-1  
msgtype和msgflg参数说明:

*  msgtype = 0 返回消息队列第一条消息
 *  msgtype > 0 返回消息队列第一条类型等于msgtype的消息
 *  msgtype < 0 返回消息队列第一条类型<=msgtype绝对值的消息，并且是满足条件的消息类型最小的消息
 *  msgtype > 0 && msgflg == MSGEXCEPT,接收类型不等于msgtype的第一条消息
 *  msgflg = IPC\_NOWAIT 队列没有可读消息不等待，返回ENOMSG错误
 *  msgflg = MSG\_NOERROR 消息大小超过msgsz时被截断

--------------------

**命令行操作IPC资源**

*  ipcs:显式IPC资源
 *  ipcrm 手动删除IPC资源

使用实例：  
ipcs -q 查看系统中的自定义消息队列  
ipcrm -Q 消息队列标识号 ：删除指定的消息队列

ipcs -m:查看系统中的共享内存段  
ipcrm -M 共享内存的ID ：删除用指定ID创建的共享内存

ipcs -s：查看系统中的信号量集  
ipcrm -S 信号量集的ID：删除用指定ID创建的信号量集

--------------------

**3.共享内存**

**共享内存是最快的IPC形式。**因为一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，也即进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据。

共享内存示意图：

![共享内存示意图][70 4]

**操作共享内存的函数接口**

1>共享内存的创建  
函数原型

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

参数：

*  key:共享内存的名字
 *  size:共享内存大小
 *  shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的

返回值：成功返回一个非负整数，即共享内存段的标识码；失败返回-1.

2>将共享内存段连接到进程地址空间  
函数原型：

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

参数：

*  shmid：共享内存标识
 *  shmaddr：指定挂载的地址
 *  shmflg：它的两个可能取值是SHM\_RDN和SHM\_RDONLY

返回值：成功返回一个指向共享内存的指针，失败返回-1.  
参数说明：

*  shmaddr为NULL，由系统自动选择一个地址
 *  shmaddr不为NULL，且shmflg无SHM\_RND标记，则以shmaddr为挂载地址
 *  shmaddr不为NULL，且shmflg设置了SHM\_RND标记，则挂载的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍
 *  shmflg设置为SHM\_RDONLY，表示挂载操作用来只读共享内存

3>将共享内存段和当前进程脱离  
函数原型

*  int shmdt(const void \*shmaddr)

参数

*  由shmat函数所返回的指针

返回值：成功返回0，失败返回-1  
**注意：将共享内存段和当前进程脱离不等于删除共享内存段**

4>控制共享内存  
函数原型

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

参数

*  shmid:由shmget返回的共享内存标识码
 *  cmd:将要采取的动作，见下表。
 *  buf:指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构

返回值：成功返回0，失败返回-1

![shmctl参数说明][shmctl]

**注意：共享内存没有同步和互斥**

**4.信号量**  
注：信号量主要用来同步和互斥的。

**进程互斥**

*  由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此个进程间竞争使用这些资源，这种关系称为进程的互斥。
 *  系统中某些资源一次只允许一个进程使用，这些资源被称作互斥资源或者临界资源。许多物理设备都是临界资源，例如打印机。
 *  在进程中涉及到互斥资源的程序段称为临界区

**进程同步**

*  进程同步是指多个进程需要互相配合才能共同完成一项任务。

下面是一个进程同步的例子：  
![进程同步][70 5]

信号量通常要和P、V原语结合使用  
信号量本质上是一个资源计数器：

struct semaphore{
        int value;
        pointer_PCB queue;
    }

P原语伪代码

P（s)
    {
        s.value--;
        if(s.value < 0)
        {
            将给进程状态置为等待状态
            将该进程的PCB插入相应的等待队列s.queue队尾
        }
    }

V原语伪代码

V(s)
    {
        s.value++;
        if(s.value <= 0)
        {
            唤醒相应等待队列s.queue中等待的一个进程
            改变其状态为就绪态，并插入就绪队列
        }
    }

**信号量集函数接口**

1>创建和访问一个信号量集  
函数原型

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

参数

*  key:信号量的名字
 *  nsems:信号量集中信号量的个数
 *  semflg:由九个权限标志构成

返回值：成功放回一个非负整数，即信号量集的标识码；失败返回-1

2>信号量集的控制  
函数原型

*  int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …)

参数

*  semid:信号量集标识码
 *  semnum:信号量集中信号量的序号
 *  cmd:将要采取的动作，见下表  
    注：最后一个参数根据命令不同而不同

返回值：成功返回0，失败返回-1  
![semctl函数参数说明][semctl]

3>实现对信号量的PV操作  
函数原型

*  int semop(int semid, struct sembuf \*sops, unisgned nsops)

参数

*  semid:信号量的标识码，也就是semget函数的返回值
 *  sops:指向一个规定结构的指针
 *  nsops:信号量的个数

参数说明：  
sembuf结构体：

struct sembuf{
        short sem_num;
        short sem_op;
        short sem_flg;
    }

sem\_num：信号量的编号，从0开始，一般PV操作这个参数都写0  
sem\_op：信号量一次PV操作时加减的数值，一般P操作这个参数写-1；V操作这个参数写1  
sem\_flg：这个参数有三个可选值：0，IPC\_NOWAIT,SEM\_UNDO。一般都写0

[IPC]: /images/20220524/06249ff5c6b74e8f88f2689d2710dd15.png
[70]: /images/20220524/dc8ac0e4f50f472cab5882c926b61f0d.png
[70 1]: /images/20220524/3b150fd013134afe81d4780a2103a733.png
[70 2]: /images/20220524/119df86e4b3e4a7a823f22c9ae85e7b2.png
[70 3]: /images/20220524/55647712848f41379259e1210110bedc.png
[70 4]: /images/20220524/8f5e7531a77d4da7932a272ee8e11934.png
[shmctl]: /images/20220524/89aefb84f061480b94abc4d7f2354abd.png
[70 5]: /images/20220524/e02ec213164a473ab761ec642eccb85e.png
[semctl]: /images/20220524/21c59761f8b544a98888141c7f7b9bab.png