Linux笔记_进程通讯——概述

一.进程间通讯概述

1.目的：

1) 数据传输

一个进程需要将它的数据发送给另一个进程

2）资源共享

多个进程之间共享同样的资源

3）通知事件

一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知他们发生了某种事件

4）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操作，并能够及时知道它的状态改变。

2.发展

由以下几部分发展而来

1）unix进程间通信；

2）基于system V进程间通信；

3）POSIX（表示可移植操作系统接口）进程间通信：

3.分类

现在的通信方式包括

1）管道和有名管道

2）信号

3）消息队列

4）共享内存

5）信号量

6）套接字

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二、管道通信

1.定义：

 1）管道式单向的，先进先出的，把一个进程的输出和另一个进程的输入连接在一起。

 2）一个进程（写进程）在管道的尾部写入数据，另一个进程（读进程）从管道的头部读出数据。

 3）数据被一个进程读出后，将被从管道中删除，其它读进程将不能再读到这些数据。（管道提供了简单的流控制机制，进程试图读空管道时，进程将阻塞。同样，管道已经满时，进程再试图管道写入数据，进程将阻塞）

 2.管道创建

1）无名管道：用于父进程和子进程的通信

     创建：pipe()    int pipe(int filedis[2])

     当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：filedis[0]用于读管道，filedis[1]用于写管道     

     管道关闭：关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可，可以使用普通的close函数逐个关闭

     

     管道读写

      管道用于不同进程间的通信。通常先创建一个管道，再通过fork函数创建一个子进程，该子进程会继承父进     程  所创建的管道。               

    *必须在系统调用fork（）前调用pipe（），否则子进程将不会继承文件描述符

2）命名管道

     命名管道和无名管道基本相同，不同点在于：无名管道只能由父子进程使用，但通过命名管道，不相关的进程也能交换数据。

      创建：  

       #include <sys/types.h>

       #include  <sys/stat.h>

       int mkfifo(const char *pathname,mode_t mode)

       pathname:FIFO文件名

       mode：属性：

       一旦创建了一个fifo，就可以用open打开它，一般的文件访问函数（close，read，write等）都可以用于fifo

      操作：

       打开FIFO时，非阻塞标志（O_NONBLOCK）将对以后的读写产生以下影响：

        1）没有使用O_NONBLOCK：访问要求无法满足时进程将阻塞。如试图读取空的FIFO，将导致进程阻塞。

        2）使用O_NONBLOCK：访问要求无法满足时不阻塞，立即出错返回，errno是ENXIO。

    代码演示：

/////////////////////fifo_read////////////////////

 #include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO "/tmp/myfifo"

main(int argc,char** argv)
{
     char buf_r[100];
     int  fd;
     int  nread;
    
     /* 创建管道 */
     if((mkfifo(FIFO,O_CREAT|O_EXCL)<0)&&(errno!=EEXIST))
          printf("cannot create fifoserver\n");
    
     printf("Preparing for reading bytes...\n");
    
     memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
    
     /* 打开管道 */
     fd=open(FIFO,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0);
     if(fd==-1)
     {
          perror("open");
          exit(1);    
     }
     while(1)
     {
          memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
         
          if((nread=read(fd,buf_r,100))==-1)
          {
               if(errno==EAGAIN)
                    printf("no data yet\n");
          }
          printf("read %s from FIFO\n",buf_r);
          sleep(1);
     }    
     pause(); /*暂停，等待信号*/
     unlink(FIFO); //删除文件
}

/////////////fifo_write//////////////////////

  

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define FIFO_SERVER "/tmp/myfifo"

main(int argc,char** argv)
{
     int fd;
     char w_buf[100];
     int nwrite;
         
     /*打开管道*/
     fd=open(FIFO_SERVER,O_WRONLY|O_NONBLOCK,0);
    
     if(argc==1)
     {
          printf("Please send something\n");
          exit(-1);
     }
    
     strcpy(w_buf,argv[1]);
    
     /* 向管道写入数据 */
     if((nwrite=write(fd,w_buf,100))==-1)
     {
          if(errno==EAGAIN)
               printf("The FIFO has not been read yet.Please try later\n");
     }
     else
          printf("write %s to the FIFO\n",w_buf);
}
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三 信号通讯

1.信号机制

信号机制是Unix系统中最为古老的进程间通信机制。很多条件可以产生一个信号:

1）当用户按某些按键时产生信号；

2）硬件异常产生信号：除数为零，无效的存储访问等等。通常由硬件检测到，将其通知内核，然后内核产生适当的信号通知进程。

3）进程用kill函数将信号发送给另一个进程；

4）用户可用kil命令将信号发送给其它进程

2 信号类型

SIGHUP:从终端发出的结束信号

SIGINT：来自键盘的中断信号（Ctrl+C）

SIGKILL：该信号结束接收信号的进程

SIGTERM：kill命令发出的信号

SIGCHLD：标识子进程停止或结束的信号

SIGTOP：来自键盘（Ctrl-Z）或调试程序的停止执行信号

3 信号发送

发送信号的主要函数有kill和raise

区别：

kill既可以向自身发送信号，也可以向其它进程发送信号。与kill函数不同的是，raise函数是向进程自身发送信号。

#include <sys/types.h>

#include <signal.h>

int kill(pid_t pid, int signo)

int raise(int signo)

kill的pid参数有四种不同的情况：

1）pid>0 将信号发给进程的ID为pid的进程；

2）pid==0 将信号发送给同组的进程；

3）pid<0将信号发送给其它进程组ID等于pid绝对值的进程；

4）pid==-1将信号发送给所有进程

Alarm函数

使用alarm函数可以设置一个时间值（闹钟时间）当所设置的时间到了时，产生SIGALRM信号。如果不捕捉此信号，则默认动作是终止该进程。每个进程只有一个闹钟时间。

#include <inistd.h>

unsigned int alarm(unsigned int seconds)  seconds：经过了指定的second秒后会产生信号SIGALRM。

pause函数：

使调用进程挂起直至捕捉到一个信号

#include <unistd.h>

int pause(void)

只有执行了一个信号处理函数后，挂起才结束。

4.  信号处理

有以下处理方式

1）忽略此信号：有两种信号不能忽略：SIGKILL和SIGTOP 因为他们向超级用户提供了已知终止或停止进程的方法

2）执行用户希望的动作

通知内核在某种信号发生时，调用一个用户函数，在用户函数中，执行用户希望的处理。

3）执行系统默认动作

对大多数信号的系统默认动作是终止该进程

信号处理的主要方法有两种，一种是使用简单的signal函数，另一种是使用信号集函数组。

指定信号处理的调用函数：

signal函数：

#include <signal.h>

void(*signal(int signo,void(*func)(int)))(int)  //函数：参数：1.int类型，2.函数指针；返回类型：函数指针

可以表示为：（看起来比较清晰）

typedef void(*sighandler_t)(int)

sighandler_t signall(int signum,sighandler_t handler)

Func 可能的值是：

1）SIG_IGN: 忽略此信号

2）SIG_DFL:按系统默认方式处理

3）信号处理函数名：使用该函数处理

演示：

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void my_func(int sign_no)
{
     if(sign_no==SIGINT)
          printf("I have get SIGINT\n");
     else if(sign_no==SIGQUIT)
          printf("I have get SIGQUIT\n");
}
int main()
{
     printf("Waiting for signal SIGINT or SIGQUIT \n ");
    
     /*注册信号处理函数*/
     signal(SIGINT, my_func);
     signal(SIGQUIT, my_func);
    
     pause();
     exit(0);
}

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四 共享内存

1.概述

共享内存是被多个进程共享的一部分物理内存。共享内存是进程间共享数据最快的一种方法，一个进程向共享内存区写入了数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容。

总结：1）快；2）节省内存空间

共享内存实现的两个步骤：

a、创建共享内存，使用shmget函数；

b、映射共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体点的进程空间去，使用shmat函数

2.创建

int shmget（key_t key,int size,int shmflg）

key标识共享内存的键值：0/IPC_PRIVATE。当key的取值为IPC_PRIVATE，则函数shmget（）将创建一块新的共享内存，如果key的取值为0，而参数shmflg中又设置IPC_PRIVATE这个标识，则同样会创建一块新的共享内存。

返回值：如果成功，返回共享内存标识符，如果失败，返回-1.

3.映射

int shmat（int shmid,char *shmaddr,int flag）

参数：

shmid:shmget函数返回的共享存储标识符

flag：决定以什么方式来确定映射的地址（通常为0）

返回值：

如果成功，则返回共享内存映射到进程中的地址，如果失败，则返回-1

当一个进程不再需要共享内存时，需要把它从进程地址空间脱离

int shmdt(char *shmaddr)

******************************************

演示代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
/* 共享内存 */

int main(int argc,char **argv)
{
     int shmid;
     char *p_addr,*c_addr;
    
     if(argc!=2)
     {
          fprintf(stderr,"Usage:%s\n\a",argv[0]);
          exit(1);
     }

     /* 创建共享内存 */    
     if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM))==-1)
     {
          fprintf(stderr,"Create Share Memory Error:%s\n\a",strerror(errno));
          exit(1);
     }

     /* 创建子进程 */
     if(fork()) // 父进程写
     {
          p_addr=shmat(shmid,0,0);
          memset(p_addr,'\0',1024);
          strncpy(p_addr,argv[1],1024);
          wait(NULL); // 释放资源,不关心终止状态
          exit(0);
     }
     else       // 子进程读
     {
          sleep(1); // 暂停1秒         
          c_addr=shmat(shmid,0,0);
          printf("Client get %s\n",c_addr);
          exit(0);
     }
} 

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五 消息队列

1.定义

unix早期通信机制之一的信号能够传送的信息量有限，管道则只能传送无格式的字节流，这无疑会给应用程序开发带来不便。消息队列（也叫做报文队列）则克服了这些缺点。

2.发展

消息队列就是一个消息的链表。可以把消息看做一个记录，具有特定的格式。进程可以向中按照一定的规则添加新消息；另一些进程则可以从消息队列中读走消息。

3.分类

目前主要有两种类型的消息队列

POSIX消息队列（可移植操作系统接口）和系统V消息队列（目前被大量使用）

4.持续性

系统V消息队列是随内核持续的，只有在内核重启或者人工删除时，该消息队列才会删除。

5,键值

消息队列的内核持续性要求每个消息队列都在系统范围内对应唯一的键值，所以要获得一个消息队列的描述字，必须提供该消息队列的键值。

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

key_t ftok (char *pathname,char proj)

功能：返回文件名对应的键值

pathname：文件名

proj：项目名（不为0即可）

6.打开/创建

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

int msgget(key_t key,int msgflg)

key: 键值，由ftok获得

msgflg:标志位 

          IPC_CREAT:创建新的消息队列

          IPC_EXCL:与IPC_CREAT一同使用，表示如果要创建的消息队列已经存在，则返回错误 

          IPC_NOWAIT：读写消息队列要求无法得到满足时，不阻塞

返回值：与键值key相对应的消息队列描述字。

以下两种情况将创建一个新的消息队列：

1）如果没有与键值key相对应的消息队列，并且msgflg中包含了IPC_CREAT标志位；

2）key参数为IPC_PRIVATE。

6.发送消息

#include <sys/typess.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid,struct msgbuf*msgp,int msgsz,int msgflg)

功能：向消息队列中发送一条消息

msqid：创建的返回值消息队列的id

msgp：存放消息的结构

msgsz：消息数据长度

msgflg：发送标志，有意义的标志为IPC_NOWAIT，指明在消息队列没有足够空间容纳要发送的消息时，msgsnd是否等待。

消息格式：

struct msgbuf

{

     long mtype;//消息类型>0

     char mtext[1]; //消息数据的首地址

}

7. 接收消息

#include <sys/typess.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/msg.h>

int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp,int msgsz,long msgtyp,int msgflg)

功能：

从msqid代表的消息队列中读取一个msgtype类型的消息，并把消息存储在msgp指向的msgbuf结构中。在成功的读取了一条消息以后，队列中的这条消息将会被删除。

************************************************

演示代码:

#include <sys/types.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>

struct msg_buf
    {
        int mtype;
        char data[255];
    };

int main()
{
        key_t key;
        int msgid;
        int ret;
        struct msg_buf msgbuf;

        key=ftok("/tmp/2",'a');
        printf("key =[%x]\n",key);
        msgid=msgget(key,IPC_CREAT|0666); /*通过文件对应*/

        if(msgid==-1)
        {
                printf("create error\n");
                return -1;
        }

        msgbuf.mtype = getpid();
        strcpy(msgbuf.data,"test haha");
        ret=msgsnd(msgid,&msgbuf,sizeof(msgbuf.data),IPC_NOWAIT);
        if(ret==-1)
        {
                printf("send message err\n");
                return -1;
        }

        memset(&msgbuf,0,sizeof(msgbuf));
        ret=msgrcv(msgid,&msgbuf,sizeof(msgbuf.data),getpid(),IPC_NOWAIT);
        if(ret==-1)
        {
                printf("recv message err\n");
                return -1;
        }
        printf("recv msg =[%s]\n",msgbuf.data);

}

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六 信号量

1.定义：

信号量（又名信号灯）与其它进程间通信方式不大相同，主要用途是保护临界资源。进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源。除了用于访问控制外，还可用于进程同步。

2.分类

1）二值信号灯：信号灯的值只能取0或1，类似于互斥锁。但两者有不同：信号灯强调共享资源，只要共享资源可用，其他进程同样可以修改信号灯的值；互斥锁更强调进程，占用资源的进程使用完资源后，必须由进程本身来解锁。

2）计数信号灯：信号灯的值可以取任意非负值

3.创建/打开

#include <sys/typess.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key,int nsems,int semflg)

参数：

key:键值，由ftok获得；

nsems：指定打开或者新创建的信号灯集中将包含信号灯的数目

semflg：标识，同消息队列

4.操作

int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsigned nsops)

功能：对信号量进行控制

semid：信号量集的ID

sops：是一个操作数组，表明要进行什么操作

nsops：sops所指向的数组的元素个数

struct sembuf{

     unsigned short sem_num;

     short sem_op;

     short sem_flg;

}

sem_num:要操作的信号量在信号量集中的编号，第一个信号的编号是0；

sem_op：如果其值为正数，该值会加到现有的信号量值中，通常用于释放信号量；如果sem_op值为负数，而其绝对值又大于信号的现值，操作将会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op的绝对值，通常用于获取信号量，如果sem_op的值为0，则操作将暂时阻塞，直到信号的值变为0.

sem_flg：

信号操作标志，可能的选择有两种；

IPC_NOWAIT：对信号的操作不能满足时，semop()不会阻塞，并立即返回，同时设定错误信息。

IPC_UNDO：程序结束时（无论正常或不正常）释放信号量，这样做的目的在于避免程序在异常情况下结束时未将锁定的资源解锁，造成该资源永远锁定。