进程间通信(管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号、信号量)

进程间通信(IPC,InterProcess Communication)是指在不同进程之间传播或交换信息。

IPC的方式通常有管道(包括无名管道和命名管道)、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。(笔面会问。背)

一、管道(无名管道pipe)
管道,通常指无名管道,是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

1、特点:
(1)它是半双工的(即数据只能在一个方向上流动),具有固定的读端和写端。

(2)它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信(也是父子进程或者兄弟进程之间)。

(3)它可以看成是一种特殊的文件,对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件,并不属于其他任何文件系统,并且只存在于内存中。

(4)管道里不存储数据。

2、原型:

1 #include <unistd.h>
2 int pipe(int fd[2]);    // 返回值:若成功返回0,失败返回-1

当一个管道建立时,它会创建两个文件描述符:fd[0]为读而打开,fd[1]为写而打开。如下图:

进程间通信(管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号、信号量)_第1张图片

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

3、例子
单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以,通常调用 pipe 的进程接着调用 fork,这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示:

进程间通信(管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号、信号量)_第2张图片

若要数据流从父进程流向子进程,则关闭父进程的读端(fd[0])与子进程的写端(fd[1]);反之,则可以使数据流从子进程流向父进程。

pipe 代码案例:

#include
#include
#include
#include
int main()
{
        int fd[2];
        int pid;
        char *writeBuf="yl hen shuai!";
        char readBuf[128];
        if(pipe(fd)==-1){
                printf("pipe faile\n");
        }
        pid=fork();
        if(pid<0){
                printf("fork failed\n");
        }else if(pid>0){
                sleep(3);
                printf("father jin cheng\n");
                close(fd[0]);
                if(write(fd[1],writeBuf,strlen(writeBuf)+1)==-1){
                        printf("write failed\n");
                }
                wait();
        }else{
                printf("child jin cheng\n");
                close(fd[1]);
                int readId=read(fd[0],readBuf,128);
                if(readId==-1){
                        printf("read failed\n");
                }
                printf("read from fathar %d byte:%s\n",readId,readBuf);
                exit(-1);
        }
        return 0;
}
结果:
child jin cheng
father jin cheng
read from fathar 14 byte:yl hen shuai!

二、FIFO(命名管道)
FIFO,也称为命名管道,它是一种文件类型。

1、特点
FIFO可以在无关的进程之间交换数据,与无名管道不同。

FIFO有路径名与之相关联,它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

2、原型

1 #include <sys/stat.h>
2 // 返回值:成功返回0,出错返回-1
3 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

其中的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO,就可以用一般的文件I/O函数操作它。

当 open 一个FIFO时,是否设置非阻塞标志(O_NONBLOCK)的区别:

若没有指定O_NONBLOCK(默认),只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的,只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。

若指定了O_NONBLOCK,则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO,其errno置ENXIO。

案例:
read 端代码:

#include
#include 
#include 
#include 
#include
int main()
{
        int fd;
        char readBuf[128];
        int nread;
        if(mkfifo("./file1",0600)==-1 && errno !=EEXIST){
                printf("creat file1 failed\n");
        }
        fd=open("./file1",O_RDONLY);
        if(fd==-1){
                printf("open file1 failed\n");
        }
        nread=read(fd,readBuf,128);
        printf("read%d byte from write:%s\n",nread,readBuf);
        close(fd);

        return 0;
}
~        

write 端代码:

#include
#include 
#include 
#include 
#include
#include
int main()
{
        int fd;
        char *writeBuf="yl hen shuai!";
        fd=open("./file1",O_WRONLY);
        if(fd==-1){
                printf("open file1 failed\n");
        }
        if(write(fd,writeBuf,strlen(writeBuf)+1)==-1){
                printf("write file1 failed\n");
        }
        close(fd);

        return 0;
}
~              

三、消息队列
消息队列,是消息的链接表,存放在内核中。一个消息队列由一个标识符(即队列ID)来标识。

1、特点
消息队列是面向记录的,其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。

消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时,消息队列及其内容并不会被删除。

消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

2、原型

1 #include <sys/msg.h>
2 // 创建或打开消息队列:成功返回队列ID,失败返回-1
3 int msgget(key_t key, int flag);
4 // 添加消息:成功返回0,失败返回-1
5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
6 // 读取消息:成功返回消息数据的长度,失败返回-1
7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
8 // 控制消息队列:成功返回0,失败返回-1
9 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

在以下两种情况下,msgget将创建一个新的消息队列:

如果没有与键值key相对应的消息队列,并且flag中包含了IPC_CREAT标志位。
key参数为IPC_PRIVATE。
函数msgrcv在读取消息队列时,type参数有下面几种情况:

type == 0,返回队列中的第一个消息;
type > 0,返回队列中消息类型为 type 的第一个消息;
type < 0,返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息,如果有多个,则取类型值最小的消息。
可以看出,type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值。(其他的参数解释,请自行Google之)

代码案例:
A和B通信。 注意(获取key值用ftok()函数)
A端代码:

#include
#include 
#include 
#include 
#include
typedef struct msgbuf {
        long mtype;       /* message type, must be > 0 */
        char mtext[128];    /* message data */
}msg;

int main()
{
        int msgId;
        msg readBuf;
        key_t key;
        msg sendBuf={999,"I  know yl shen shuai!"};
        if(key=ftok(".",'z')<0){
				printf("get key failed\n");   
       }
        msgId=msgget(key,IPC_CREAT|0777);
        if(msgId==-1){
                printf("msgget failed\n");
        }
        if(msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),888,0)==-1){
                printf(" msg  get fialed\n");
        }
        printf("read from send:%s\n",readBuf.mtext);
        if(msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0)==-1){
                printf("msg send failed\n");
        }
		msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);

        return 0;
}

B端代码:

#include
#include 
#include 
#include 
#include
#include
typedef struct msgbuf {
        long mtype;       /* message type, must be > 0 */
        char mtext[128];    /* message data */
}msg;

int main()
{
        int msgId;
        msg readBuf;
		key_t key;
        msg sendBuf={888,"yl hen shuai!"};
        if(key=ftok(".",'z')<0){
				printf("get key failed\n");   
       }
        msgId=msgget(key,IPC_CREAT|0777);
        if(msgId==-1){
                printf("msgget failed\n");
        }
        if(msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0)==-1){
                printf("msg send failed\n");
        }
        if(msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),999,0)==-1){
                printf(" msg  get fialed\n");
        }
        printf("read from get:%s\n",readBuf.mtext);
        msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);

        return 0;
}

四、共享内存
共享内存(Shared Memory),指两个或多个进程共享一个给定的存储区。

1、特点
共享内存是最快的一种 IPC,因为进程是直接对内存进行存取。

因为多个进程可以同时操作,所以需要进行同步。

信号量+共享内存通常结合在一起使用,信号量用来同步对共享内存的访问。

2、原型


1 #include <sys/shm.h>
2 // 创建或获取一个共享内存:成功返回共享内存ID,失败返回-1
3 int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
4 // 连接共享内存到当前进程的地址空间:成功返回指向共享内存的指针,失败返回-1
// void *addr 一般用0,0代表系统自动开辟的地址。 flag一般也为0,0代表映射进来的共享内存是可读可写。
5 void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag); 
6 // 断开与共享内存的连接:成功返回0,失败返回-1
7 int shmdt(void *addr); 
8 // 控制共享内存的相关信息:成功返回0,失败返回-1
9 int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

当用shmget函数创建一段共享内存时,必须指定其 size;而如果引用一个已存在的共享内存,则将 size 指定为0 。

当一段共享内存被创建以后,它并不能被任何进程访问。必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间,连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间,随后可像本地空间一样访问。

shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的。注意,这并不是从系统中删除该共享内存,只是当前进程不能再访问该共享内存而已。

shmctl函数可以对共享内存执行多种操作,根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID(从系统中删除该共享内存)。

案例:
A和B通信。 注意(获取key值用ftok()函数)
A端代码:

#include
#include 
#include 
#include 
#include
#include
int main()
{
        key_t key;
        int shmId;
        char *shmaddr;
        char *date="yl hen shuai!";
        if(key=ftok(".",1)<0){
                printf("get key failed\n");
        }
        if(shmId=shmget(key,1024*2,IPC_CREAT|0666)==-1){
                printf("shmget failed\n");
                exit(-1);
        }
        shmaddr=shmat(shmId,0,0);

        strcpy(shmaddr,date);
        sleep(6);
        if(shmdt(shmaddr)==-1){
                printf("shmdt failed\n");
        }
        if(shmctl(shmId,IPC_RMID,0)==-1){
                printf("delec shm failed\n");
        }
        return 0;
}

B端代码:

#include
#include 
#include 
#include 
#include
#include
int main()
{
        key_t key;
        int shmId;
        char *shmaddr;
        if(key=ftok(".",1)<0){
                printf("get key failed\n");
        }
        if(shmId=shmget(key,1024*2,IPC_CREAT|0666)==-1){
                printf("shmget failed\n");
                exit(-1);
        }
        shmaddr=shmat(shmId,0,0);

        printf("read from write:%s\n",shmaddr);
        if(shmdt(shmaddr)==-1){
                printf("shmdt failed\n");
        }
        return 0;
}

四、信号(signal)
对于 Linux来说,实际信号是软中断,许多重要的程序都需要处理信号。信号,为 Linux 提供了一种处理异步事件的方法。比如,终端用户输入了 ctrl+c 来中断程序,会通过信号机制停止一个程序。

信号概述
信号的名字和编号:
每个信号都有一个名字和编号,这些名字都以“SIG”开头,例如“SIGIO ”、“SIGCHLD”等等。
信号定义在signal.h头文件中,信号名都定义为正整数。
具体的信号名称可以使用kill -l来查看信号的名字以及序号,信号是从1开始编号的,不存在0号信号。kill对于信号0又特殊的应用。
进程间通信(管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号、信号量)_第3张图片

信号的名称
信号的处理:
信号的处理有三种方法,分别是:忽略、捕捉和默认动作

忽略信号,大多数信号可以使用这个方式来处理,但是有两种信号不能被忽略(分别是 SIGKILL和SIGSTOP)。因为他们向内核和超级用户提供了进程终止和停止的可靠方法,如果忽略了,那么这个进程就变成了没人能管理的的进程,显然是内核设计者不希望看到的场景
捕捉信号,需要告诉内核,用户希望如何处理某一种信号,说白了就是写一个信号处理函数,然后将这个函数告诉内核。当该信号产生时,由内核来调用用户自定义的函数,以此来实现某种信号的处理。
系统默认动作,对于每个信号来说,系统都对应由默认的处理动作,当发生了该信号,系统会自动执行。不过,对系统来说,大部分的处理方式都比较粗暴,就是直接杀死该进程。
具体的信号默认动作可以使用man 7 signal来查看系统的具体定义。在此,我就不详细展开了,需要查看的,可以自行查看。也可以参考 《UNIX 环境高级编程(第三部)》的 P251——P256中间对于每个信号有详细的说明。
了解了信号的概述,那么,信号是如何来使用呢?

其实对于常用的 kill 命令就是一个发送信号的工具,kill -9 pid来杀死进程。比如,我在后台运行了一个 top 工具,通过 ps 命令可以查看他的 PID,通过 kill 9 来发送了一个终止进程的信号来结束了 top 进程。如果查看信号编号和名称,可以发现9对应的是 9) SIGKILL,正是杀死该进程的信号。而以下的执行过程实际也就是执行了9号信号的默认动作——杀死进程。
kill 杀死进程
进程间通信(管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号、信号量)_第4张图片

对于信号来说,最大的意义不是为了杀死信号,而是实现一些异步通讯的手段,那么如何来自定义信号的处理函数呢?

信号处理函数的注册
信号处理函数的注册不只一种方法,分为入门版和高级版

入门版:函数signal
高级版:函数sigaction

信号处理发送函数
信号发送函数也不止一个,同样分为入门版和高级版

1.入门版:kill
2.高级版:sigqueue

信号注册函数——入门版
在正式开始了解这两个函数之前,可以先来思考一下,处理中断都需要处理什么问题。
按照我们之前思路来看,可以发送的信号类型是多种多样的,每种信号的处理可能不一定相同,那么,我们肯定需要知道到底发生了什么信号。
另外,虽然我们知道了系统发出来的是哪种信号,但是还有一点也很重要,就是系统产生了一个信号,是由谁来响应?
如果系统通过 ctrl+c 产生了一个 SIGINT(中断信号),显然不是所有程序同时结束,那么,信号一定需要有一个接收者。对于处理信号的程序来说,接收者就是自己。

开始的时候,先来看看入门版本的信号注册函数,他的函数原型如下:
signal 的函数原型

#include 
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

根据函数原型可以看出由两部分组成,一个是真实处理信号的函数,另一个是注册函数了。
对于sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);函数来说,signum 显然是信号的编号,handler 是中断函数的指针。
同样,typedef void (*sighandler_t)(int);中断函数的原型中,有一个参数是 int 类型,显然也是信号产生的类型,方便使用一个函数来处理多个信号。
入门版案例:
案例代码:

#include
#include 
void handler(int signum)
{
        printf("signum:%d\n",signum);
        printf("sigint no ok\n");
}
int main()
{
        signal(2,handler);//实现ctrl+c 信号的捕捉 并执行自己的handler的内容
        signal(2,SIG_IGN);//忽略ctrl+c 信号,不执行任何操作
        while(1);
        return 0;
}

通过编程让程序给上面的案例发送信号指令:

#include
#include 
#include 

int main(int argc,char **argv)
{
        int signum;
        int pid;
        char cmd;
        signum=atoi(argv[1]);//这边要注意强转成int
        pid=atoi(argv[2]);
        //kill(pid,signum);//可以用kill函数 也可以用下面的system函数
        sprintf(cmd,"kill - %d %d",signum,pid);
        system(cmd);
        return 0;
}

信号高级版(含消息接收):
思路:
进程间通信(管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号、信号量)_第5张图片
接收信号端:
sigaction 函数原型:
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);参数说明:
signum: 要捕捉哪个信号,
const struct sigaction *act: 如下

struct sigaction {
               void     (*sa_handler)(int);   //这个跟入门版的一样不带消息 带消息一般不配置
               void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);  //配置消息的属性(谁发的,类型等)
               sigset_t   sa_mask;     //默认是阻塞状态,没有需求也可以不配置
               int        sa_flags;		//要发送消息必须配置成SA_SIGINFO
               void     (*sa_restorer)(void);
           };
           //回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一
  void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *)// 有3个参数。一个pid号,一个结构体一个指针。
  //结构体里是消息的类型内容等等。
  类似: siginfo_t {
               int      si_signo;    /* Signal number */
               int      si_errno;    /* An errno value */
               int      si_code;     /* Signal code */
               int      si_trapno;   /* Trap number that caused
                                        hardware-generated signal
                                        (unused on most architectures) */
               pid_t    si_pid;      /* Sending process ID */
               uid_t    si_uid;      /* Real user ID of sending process */
               int      si_status;   /* Exit value or signal */
               clock_t  si_utime;    /* User time consumed */
               clock_t  si_stime;    /* System time consumed */
               sigval_t si_value;    /* Signal value */
               int      si_int;      /* POSIX.1b signal */
               void    *si_ptr;      /* POSIX.1b signal */
               int      si_overrun;  /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
               int      si_timerid;  /* Timer ID; POSIX.1b timers */
               void    *si_addr;     /* Memory location which caused fault */
               long     si_band;     /* Band event (was int in
                                        glibc 2.3.2 and earlier) */
               int      si_fd;       /* File descriptor */
               short    si_addr_lsb; /* Least significant bit of address
                                        (since kernel 2.6.32) */
           }

struct sigaction *oldact); 备份源消息如不需要可设置为NULL。

#include
#include
void handler(int signum, siginfo_t *info, void *text){
        printf("signum is:%d\n",signum);
        if(text !=NULL){
              //  printf("text:%s\n",(char *)info->si_value.sival_ptr);
                printf("text:%d\n",info->si_int);
                printf("from pid:%d\n",info->si_pid);
        }
}

int main()
{
        struct sigaction act;
        act.sa_sigaction=handler;
        act.sa_flags=SA_SIGINFO;
        sigaction(5,&act,NULL);
        printf("my pid:%d\n",getpid());
        while(1);
        return 0;
}

发送:

#include
#include 
#include
int main(int argc,char **argv)
{
        int signum;
        int pid;
     //   char *text="yl hen shuai!";   //注意信号只能传单个字符。
        union sigval value;
        //value.sival_ptr =text;
        value.sival_int =99;
        signum=atoi(argv[1]);
        pid=atoi(argv[2]);
        if(sigqueue(pid,signum,value)==-1){
                perror("why");
                exit(-1);
        }
        printf("get pid %d\n",getpid());
        return 0;
}

五、信号量
信号量(semaphore)与已经介绍过的 IPC 结构不同,它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步,而不是用于存储进程间通信数据。

1、特点
信号量用于进程间同步,若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
信号量基于操作系统的 PV 操作,程序对信号量的操作都是原子操作。
每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1,而且可以加减任意正整数。
支持信号量组。

2、原型
最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量,这也是信号量最常见的一种形式,叫做二值信号量(Binary Semaphore)。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。

Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作,而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。
1 #include <sys/sem.h>
2 // 创建或获取一个信号量组:若成功返回信号量集ID,失败返回-1
3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
4 // 对信号量组进行操作,改变信号量的值:成功返回0,失败返回-1
5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
6 // 控制信号量的相关信息
7 int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

当semget创建新的信号量集合时,必须指定集合中信号量的个数(即num_sems),通常为1; 如果是引用一个现有的集合,则将num_sems指定为 0 。

在semop函数中,sembuf结构的定义如下:

1 struct sembuf 
2 {
3     short sem_num; // 信号量组中对应的序号,0~sem_nums-1
4     short sem_op;  // 信号量值在一次操作中的改变量
5     short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6 }

其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量:

若sem_op > 0,表示进程释放相应的资源数,将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量,则换行它们。

若sem_op < 0,请求 sem_op 的绝对值的资源。

如果相应的资源数可以满足请求,则将该信号量的值减去sem_op的绝对值,函数成功返回。
当相应的资源数不能满足请求时,这个操作与sem_flg有关。
sem_flg 指定IPC_NOWAIT,则semop函数出错返回EAGAIN。
sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT,则将该信号量的semncnt值加1,然后进程挂起直到下述情况发生:
当相应的资源数可以满足请求,此信号量的semncnt值减1,该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回;
此信号量被删除,函数smeop出错返回EIDRM;
进程捕捉到信号,并从信号处理函数返回,此情况下将此信号量的semncnt值减1,函数semop出错返回EINTR
若sem_op == 0,进程阻塞直到信号量的相应值为0:

当信号量已经为0,函数立即返回。
如果信号量的值不为0,则依据sem_flg决定函数动作:
sem_flg指定IPC_NOWAIT,则出错返回EAGAIN。
sem_flg没有指定IPC_NOWAIT,则将该信号量的semncnt值加1,然后进程挂起直到下述情况发生:
信号量值为0,将信号量的semzcnt的值减1,函数semop成功返回;
此信号量被删除,函数smeop出错返回EIDRM;
进程捕捉到信号,并从信号处理函数返回,在此情况将此信号量的semncnt值减1,函数semop出错返回EINTR
在semctl函数中的命令有多种,这里就说两个常用的:

SETVAL:用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
IPC_RMID:删除一个信号量集合。如果不删除信号量,它将继续在系统中存在,即使程序已经退出,它可能在你下次运行此程序时引发问题,而且信号量是一种有限的资源。

案例:

#include
#include 
#include 
#include 
union semun {
               int              val;    /* Value for SETVAL */
               struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
               unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
               struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                           (Linux-specific) */
};
void pGetKey(int id)
{
        struct sembuf sops;
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op=-1;
        sops.sem_flg=SEM_UNDO;
        if(semop(id,&sops,1)==-1){
                printf("semop error\n");
        }

}
void vPutKey(int id)
{
        struct sembuf sops;
        sops.sem_num = 0;
        sops.sem_op=1;
        sops.sem_flg=SEM_UNDO;
        if(semop(id,&sops,1)==-1){
                printf("semop error\n");
        }

}
int main()
{
        key_t key;
        int semId;
        union semun initsem;
        pid_t pid;
        initsem.val=0;
        if(key=ftok(".",1)==-1){
                printf("ftok error\n");
        }
        if(semId=semget(key,1,IPC_CREAT|0666)==-1){
                printf("semget error\n");
        }
        if(semctl(semId,0,SETVAL,initsem)==-1){
                printf("semctl error\n");
        }
        pid=fork();
        if(pid>0){
                pGetKey(semId);
                printf("this is fathar\n");
                vPutKey(semId);
        }else if(pid == 0){
                printf("this is child\n");
                vPutKey(semId);
        }else{
                printf("fork error\n");
        }
        return 0;
}
                           

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