文章目录
1. 进程间通信介绍1.1 进程间通信目的1.2 进程间通信发展1.3 进程间通信分类
2. 管道2.1 什么是管道2.2 匿名管道2.2.1 示例代码2.2.2 用fork来共享管道原2.2.3 站在文件描述符角度-深度理解管道2.2.4 站在内核角度-管道本质2.2.5 管道读写规则2.2.6 管道特点
2.3 命名管道2.3.1 创建一个命名管道2.3.2 匿名管道与命名管道的区别2.3.3 命名管道的打开规则2.3.4 例子-用命名管道实现文件拷贝
3. 共享内存3.1 共享内存示意图3.2 共享内存数据结构3.3 共享内存函数3.3.1 shmget函数3.3.2 shmat函数3.3.3 shmdt函数3.3.4 shmctl函数
3.4 代码示例：3.5 查看共享内存3.6 删除共享内存
4. 消息队列5. 信号量5.1 进程互斥
1. 进程间通信介绍
1.1 进程间通信目的
数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。资源共享：多个进程之间共享同样的资源。通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它们发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。
1.2 进程间通信发展
管道System V进程间通信POSIX进程间通信
1.3 进程间通信分类
管道 匿名管道pipe，命名管道System V IPC System V 消息队列，System V 共享内存，System V 信号量POSIX IPC 消息队列，共享内存，信号量，互斥量，条件变量，读写锁
2. 管道
2.1 什么是管道
管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”。
2.2 匿名管道
功能:创建一无名管道
原型
int pipe
(int fd
[2
]);
参数
fd：文件描述符数组,其中fd
[0
]表示读端, fd
[1
]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码
2.2.1 示例代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{
int fds
[2];
char buf
[100];
int len
;
if (pipe(fds
) == -1)
perror("make pipe"), exit(1);
while (fgets(buf
, 100, stdin)) {
len
= strlen(buf
);
if (write(fds
[1], buf
, len
) != len
) {
perror("write to pipe");
break;
}
memset(buf
, 0x00, sizeof(buf
));
if ((len
= read(fds
[0], buf
, 100)) == -1) {
perror("read from pipe");
break;
}
if (write(1, buf
, len
) != len
) {
perror("write to stdout");
break;
}
}
}
2.2.2 用fork来共享管道原
2.2.3 站在文件描述符角度-深度理解管道
2.2.4 站在内核角度-管道本质
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define ERR_EXIT(m)
int main(int argc
, char *argv
[])
{
int pipefd
[2];
if (pipe(pipefd
) == -1)
ERR_EXIT("pipe error");
pid_t pid
;
pid
= fork();
if (pid
== -1)
ERR_EXIT("fork error");
if (pid
== 0) {
close(pipefd
[0]);
write(pipefd
[1], "hello", 5);
close(pipefd
[1]);
exit(EXIT_SUCCESS
);
}
close(pipefd
[1]);
char buf
[10] = { 0 };
read(pipefd
[0], buf
, 10);
printf("buf=%s\n", buf
);
return 0;
}
2.2.5 管道读写规则
当没有数据可读时 O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。 O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。当管道满的时候 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。如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0。如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出。当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。
fd[0]或者fd[1]设置成为非阻塞的时候，读写的时候特性是啥？
写端文件描述符被设置成非阻塞，读端不用管（读端不读–>不调用read） a. 当读端不关闭的时候，写端一直写，直到写满管道，再调用写，write就是返回-1，同时报错，资源不可用； b. 当读端关闭了，写端去写，调用wr ite函数的进程就会收到一个SIGPIPE信号，导致该进程退出；读端文件描述符被设置成为非阻塞，写端不用管（写端不写–>不调用write） a. 当写端不关闭的时候，读端一直读，直到将管道当中的内容读完，read就会返回-1，同时报错，资源不可用； b. 当写端关闭的时候，读端一直读，直到将管道 当中的内容读完，read就会 返回0，表示读到0个字节。
2.2.6 管道特点
只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）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、子进程之间就可应用该管道。管道提供流式服务。一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程。一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥。管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道。
2.3 命名管道
管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。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，它经常被称为命名管道。命名管道是一种特殊类型的文件
2.3.1 创建一个命名管道
命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：
$
mkfifo filename
命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：
int mkfifo
(const char *filename,mode_t mode
);
创建命名管道:
int main(int argc
, char *argv
[])
{
mkfifo("p2", 0644);
return 0;
}
2.3.2 匿名管道与命名管道的区别
匿名管道由pipe函数创建并打开。命名管道由mkfifo函数创建，打开用openFIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。
2.3.3 命名管道的打开规则
如果当前打开操作是为读而打开FIFO时， O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO； O_NONBLOCK enable：立刻返回成功。如果当前打开操作是为写而打开FIFO时， O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO； O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO。
2.3.4 例子-用命名管道实现文件拷贝
读取文件，写入命名管道:
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc
, char *argv
[])
{
mkfifo("tp", 0644);
int infd
;
infd
= open("abc", O_RDONLY
);
if (infd
== -1) ERR_EXIT("open");
int outfd
;
outfd
= open("tp", O_WRONLY
);
if (outfd
== -1) ERR_EXIT("open");
char buf
[1024];
int n
;
while ((n
= read(infd
, buf
, 1024))>0)
{
write(outfd
, buf
, n
);
}
close(infd
);
close(outfd
);
return 0;
}
读取管道，写入目标文件:
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc
, char *argv
[])
{
int outfd
;
outfd
= open("abc.bak", O_WRONLY
| O_CREAT
| O_TRUNC
, 0644);
if (outfd
== -1) ERR_EXIT("open");
int infd
;
infd
= open("tp", O_RDONLY
);
if (outfd
== -1)
ERR_EXIT("open");
char buf
[1024];
int n
;
while ((n
= read(infd
, buf
, 1024))>0)
{
write(outfd
, buf
, n
);
}
close(infd
);
close(outfd
);
unlink("tp");
return 0;
}
3. 共享内存
共享内存区是最快的IPC形式。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，换句话说是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。
3.1 共享内存示意图
3.2 共享内存数据结构
struct shmid_ds
{
struct ipc_perm shm_perm
; /* operation perms */
int shm_segsz
; /* size of segment
(bytes
) */
__kernel_time_t shm_atime
; /* last attach
time */
__kernel_time_t shm_dtime
; /* last detach
time */
__kernel_time_t shm_ctime
; /* last change
time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid
; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid
; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch
; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused
; /* compatibility */
void *shm_unused2
; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3
; /* unused */
}
3.3 共享内存函数
3.3.1 shmget函数
功能：用来创建共享内存 原型：
int shmget(key_t key
, size_t size
, int shmflg
);
参数：
key：这个共享内存段名字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，即该共享内存段的标识码；失败返回-1
3.3.2 shmat函数
功能：将共享内存段连接到进程地址空间 原型：
void *shmat(int shmid
, const void *shmaddr
, int shmflg
);
参数：
shmid: 共享内存标识shmaddr：指定连接的地址shmflg：它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值：成功返回一个指针，指向共享内存第一个节；失败返回-1
说明：
shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址。shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)。shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存。
3.3.3 shmdt函数
功能：将共享内存段与当前进程脱离 原型：
int shmdt(const void *shmaddr
);
参数：
shmaddr: 由shmat所返回的指针
返回值：成功返回0；失败返回-1 注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段
3.3.4 shmctl函数
功能：用于控制共享内存 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（有三个可取值）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
命令说明：
IPC_STAT， 把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值。IPC_SET， 在进程有足够权限的前提下，把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds数据结构中给出的值。IPC_RMID， 删除共享内存段。
3.4 代码示例：
往共享内存中写数据：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#define KEY 0x99999999
int main()
{
int shmid
= shmget(KEY
, 1024, IPC_CREAT
| 0664);
if( shmid
< 0 )
{
perror("shmget");
return -1;
}
void* lp
= shmat(shmid
, NULL, 0);
{
char buf
[1024] = {0};
sprintf(buf
, "%s-%d\n","linux-84", 1);
strcpy((char*)lp
, buf
);
sleep(1);
}
sleep(10);
shmdt(lp
);
struct shmid_ds buf
;
shmctl(shmid
, IPC_STAT
, &buf
);
printf("%lu\n", buf
.shm_segsz
);
sleep(5);
shmctl(shmid
, IPC_RMID
, NULL);
while(1)
{
sleep(1);
}
return 0;
}
从共享内存内读数据：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>
#define KEY 0x99999999
int main()
{
int shmid
= shmget(KEY
, 1024, IPC_CREAT
| 0664);
if( shmid
< 0 )
{
perror("shmget");
return -1;
}
void* lp
= shmat(shmid
, NULL, 0);
while(1)
{
printf("%s\n", (char*)lp
);
sleep(1);
}
return 0;
}
3.5 查看共享内存
命令：ipcs -m
3.6 删除共享内存
命令：ipcrm -m [共享内存操作句柄]
如果一个共享内存被删除掉：
共享内存的标识符会被设置成为0x00000000，表示当前共享内存不能被使用，而且状态也是被置位dest（destroy）；如果删除了之后，本身还是有进程在附加，其实已经将共享内存对应的内存块释放掉了，所以，如果正在附加的进程去使用了已经被删除的共享内存，有可能导致崩溃；如果没有进程附加，使用ipcrm-m去删除的时候，就直接给删除了。
4. 消息队列
消息队列提供了一个从一个进程向另外一个进程发送一块数据的方法。每个数据块都被认为是有一个类型，接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值特性方面。IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以system V IPC资源的生命周期随内核。
队列属性：是先进先出。链表也是可以实现一个队列的，只要该链表保证先进先出的特性。消息队列：消息队列在内核当中就是使用链表实现的，链表当中的每一个元素都是有类型的；不同的类型是有优先级的区分的。
5. 信号量
5.1 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，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区特性方面IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以system V IPC资源的生命周期随内核
信号量不是为了传输数据而生的，而是为了进程控制。
信号量的实现：计数器+PCB等待队列。
互斥
计数器的值只能取0或者1，当计数器的值为0的时候，表示资源不可以被访问，当计数器的值为1的时候，表示资源可以被访问。初始计数器的值为1，表示可以访 问资源。获取信号量：
会对信号量当中的计数器进行预减操作（减1）判断预减之后的值 小于0：不能获取信号量，被放到了PCB等待队列当中进行等待 等于0：可以获取到信号量，对信号量计数器进行真正的减1操作，访问资源 释放信号量：
对信号量当中的计数器进行加1操作，并且唤醒PCB等待队列当中的进程
同步：当有资源被其他进程释放的时候，就通知等待的进程。
