【Linux】面试常考---进程间通信

目录

  • 进程间通信介绍
  • 进程间通信本质
    • 进程间通信目的
    • 进程间通信发展
    • 进程间通信分类
  • 管道
    • 什么是管道
    • 管道分类
      • 匿名管道
      • 命名管道
      • 区别
      • 管道本质
      • 管道特点
  • 共享内存
    • 共享内存函数
    • 共享内存命令
    • 示例
    • 共享内存注意事项

进程间通信介绍

进程间通信本质

记住!进程间通信的本质:要通信的不同的几个进程看到相同的资源

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(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。

进程间通信发展

  • 管道
  • System V进程间通信
  • POSIX进程间通信

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

管道

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”
【Linux】面试常考---进程间通信_第1张图片

管道分类

匿名管道

#include 
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

表面:通过父子进程分别用读写方式,可以父读子写,也可以子读父写。打开同一个匿名管道文件,用两个有血缘关系的进程的不同文件描述符fd,完成通信。

本质:表面上看是通过文件描述符进行了两次I/O,其实只是在内核中的缓冲区两次I/O完成biao’shi

使用示例:
【Linux】面试常考---进程间通信_第2张图片
现象:

先创建管道, 进而创建子进程, 父子进程使用管道进行通信

父进程向管道当中写“i am father”,

子进程从管道当中读出内容, 并且打印到标准输出
【Linux】面试常考---进程间通信_第3张图片

打开规则:由于管道具有同步和互斥关系,打开规则遵循同步与互斥

【Linux】面试常考---进程间通信_第4张图片

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

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;
}

使用示例:
【Linux】面试常考---进程间通信_第5张图片
现象:
【Linux】面试常考---进程间通信_第6张图片
解释:
我们可以看到serverFifo和clientFifo两个进程之间,因为命名管道文件myfifo的存在,保持着同步。

区别

  • 匿名管道只能在有血缘关系的进程使用,常用于父子。
  • 命名管道可以在任意两个进程之间使用
  • 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open
  • FIFO(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

管道本质

管道的本质是内核中的缓冲区,命名管道文件是缓冲区的标识。

管道的生命周期随进程,管道文件只是标识,删除后依然可以通信

管道特点

  • 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

共享内存

共享内存示意图:
【Linux】面试常考---进程间通信_第7张图片
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 */
};

共享内存函数

ftok函数:

功能:根据两个参数生成一个唯一的key,作用是用于操作系统标识接下来要用的	那块共享内存。

第一个参数: 必须是一个已经存在且程序可范围的文件。
第二个参数:虽然定义为一个整数,其实实际只有8个bit位有效,即如果该参数大于255,则只有后8bit有效。 

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

注意:这个标识码与ftok的标识码作用相同,作用对象不同,ftok标识码给操作系统用,返回值shmid标识给调用者使用。

从0开始的整数,删除对应共享内存后,下次使用则shmid++,和文件描述符不同。

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

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

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)通常使用IPC_RMID删除
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

共享内存命令

ipcs 查看进程间通信资源 / ipcrm 删除进程间通信资源

-m 针对共享内存的操作

-q 针对消息队列的操作

-s 针对消息队列的操作

-a 针对所有资源的操作

示例

代码:
【Linux】面试常考---进程间通信_第8张图片
现象:
【Linux】面试常考---进程间通信_第9张图片

共享内存注意事项

  • 共享内存没有进行同步与互斥
  • 共享内存生命周期随内核,只要不删除,就一直存在于内核中,除非重启系统
  • 共享内存只有在当前映射连接数为0时才会被删除释放
  • 上述示例,是用Ctrl+C直接强行退出了两个进程,虽然链接数变为了0,但是共享内存没有释放,因为强行退出后,server循环外的代码没有执行,没有释放,这也从侧面说明了,共享内存生命周期随内核。

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