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【Linux】进程间通信

1. 进程间通信

1.1. 进程间通信的目的

进程之间可能会存在特定的协同工作的场景，而协同就必须要进行进程间通信，协同工作可能有以下场景。

  • 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，通知它发生了某种事件。
  • 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. 如何实现进程间通信

由于一个进程是不能访问到另一个进程的资源的，即进程之前是具有独立性的。

那么进程之间要通信，就不能使用属于进程的资源，而应该使用一份公共的资源。

所以进程间通信的本质是：由OS参与，提供一份所以进程都能访问的公共资源。

而公共资源是什么，例如：文件、队列、内存块。

2. 管道通信

2.1. 匿名管道

适用场景：父子进程间通信。

基本原理：通过打开同一个文件，父子进程对文件进行读写操作，父子进程在文件内核缓冲区中写入或读出数据，从而实现通信。

2.1.1 创建匿名管道

使用接口

pipe：创建一个管道，参数为输出型参数，打开两个文件描述符(fd)，返回值为0表示打开失败。

具体代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

int main()
{
    int pipefd[2] = {0};
    if(pipe(pipefd) != 0)
    {
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    // 父进程读取数据，子进程写入数据
    // 规定：pipedfd[0]为读取端，pipefd[1]为写入端
    if(fork() == 0)
    {
        //child
        close(pipefd[0]);// 关闭读取端
        const char* msg = "hello world\n";
        while(1)
        {
            write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
            sleep(1);
        }

        exit(0);
    }

    // father
    close(pipefd[1]);// 关闭写入端
    while(1)
    {
        char buffer[64] = {0};
        ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));// 如果read的返回值是0，表示子进程关闭了文件描述符
        if(s == 0)
        {
            printf("child quit\n");
            break;
        }
        else if(s > 0)
        {
            buffer[s] = 0;// 子进程写入时没有添加'\0'，需要手动添加
            printf("child say：%s",buffer);
        }
        else
        {
            printf("read error\n");
              break;
        }
    }

    return 0;
}

子进程写入数据，父进程读出数据，这样就实现了简单的父子进程间的通信：

问题分析：为什么上面的代码中，需保证读端比写端快？

因为管道是面向字节流的，字符串之间没由规矩分隔符，如果读取速度慢于写入速度，可能读端还没有将整个字符串读完，写端又写入了数据，会导致数据混乱。

2.1.2 . 深入理解匿名管道

匿名管道的五个特点：

  1. 只能单向通信的信道
  2. 面向字节流
  3. 只能在父子进程间通信
  4. 管道自带同步机制，原子性写入
  5. 管道也是文件，管道的生命周期随进程
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

int main()
{
    int pipefd[2] = {0};
    if(pipe(pipefd) != 0)
    {
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    
    if(fork() == 0)
    {
        //child
        close(pipefd[0]);// 关闭读取端
       int count = 0;
       char c = 'a';
        while(1)
        {
            write(pipefd[1], &c, 1);
            count++;
            printf("%d\n", count);
        }

        exit(0);
    }

    // father
    close(pipefd[1]);// 关闭写入端
    while(1)
    {
          sleep(5);
          char buffer[4*1024+1] = {0};
          ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);
          buffer[s] = 0;
          printf("father take：%s\n", buffer);
    }

    return 0;
}

云服务器中，管道的大小为64KB，写端写满后不会再写，会等读端读取管道内容，且读取4KB后才会重新写入（读端的容量为4KB）。

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。

即匿名管道的四种情况：

  1. 读端不读或读的慢，写端要等读端
  2. 读端关闭，写端收到SIGPIPE信号直接终止
  3. 写端不写或者写的慢，读端要等写端
  4. 写端关闭，读端会读完管道内的数据然后再读，会读到0，表示读道文件结尾

2.2. 命名管道

为了解决匿名管道只能在父子进程间通信的缺陷，引入了命名管道。

其性质除了能让任意进程间通信外，与匿名管道基本一致，即创建一个文件一个进程往文件中写数据，一个进程读数据，且不让文件内容刷新到磁盘上，从而实现任意进程间的通信。

2.2.1. 创建命名管道

命令行创建

使用命令 mkfifo 管道

然后使用一个简单的shell脚本，将 hello world 每间隔一秒输入到管道中，然后另一边读取管道中的内容。

通过这种方式，显示不是重点。

代码创建

使用接口：mkfifo

因为是不同进程间的通信，所以这里需要创建两个进程：

comm.h

#include<string.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
​
#define MY_FIFO "./fifo"

server.c

#include"comm.h"
int main()
{
 umask(0);
 if(mkfifo(MY_FIFO, 0666) < 0) //创建命名管道
 {
     perror("mkfifo");
     return 1;
 }
​
 // 只需要文件操作即可
 int fd = open(MY_FIFO, O_RDONLY);
 if(fd < 0)
 {
     perror("open");
     return 2;
 }
​
 // 业务逻辑
 while(1)
 {
     char buffer[64] = {0};
     ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1);
     if(s > 0)
     {
         buffer[s] = 0;
         printf("client-> %s\n", buffer);
     }
     else if(s == 0)
     {
         printf("client quit...\n");
         break;
     }
     else
     {
         perror("read");
         break;
     }
 }
​
 close(fd);
 return 0;
}

client.c

#include"comm.h"
​
​
int main()
{
 int fd = open(MY_FIFO, O_WRONLY);
 if(fd < 0)
 {
     perror("open");
     return 1;
 }
​
 // 业务逻辑
 while(1)
 {
     printf("请输入-> ");
     fflush(stdout);
     char buffer[64] = {0};
     ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer)-1); // 从显示器上读取数据，然后写入到文件中
     if(s > 0)
     {
         buffer[s-1] = 0;
         printf("%s\n", buffer);
         write(fd, buffer, strlen(buffer));
     }
 }
 return 0;
}

运行起来后，就实现了简单的命名管道的通信：

为什么命名管道有名字，而匿名管道没有？

命名管道有名字是为了保证让不同进程看到同一个文件。

匿名管道没有名字，是因为他是通过父子继承放入方式，看到同一份资源不需要名字。

3. system V 标准进程间通信

system V：同一主机内的进程间通信方案，在OS层面专门为进程间通信设计的方案

进程间通信的本质：让不同的进程看到同一份资源

system V标准下的三种通信方式

  1. 共享内存
  2. 消息队列
  3. 信号量

3.1. 共享内存

3.1.1. 实现原理

​​​​​​​​​​​​

  1. 通过系统调用，在内存中创建一份内存空间
  2. 通过系统调用，让进程"挂接"到这份新开辟的内存空间上(即在页表上建立虚拟地址与物理地址的映射关系)
  3. 去关联(挂接)
  4. 释放共享内存

使用接口：

shmget：申请共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// key：创建共享内存时的算法和数据结构中唯一标识符，由用户自己设定需用到接口ftok
// size：共享内存的大小，建议是4KB的整数倍
// shmflg：有两个选项：IPC_CREAT(0)，创建一个共享内存，如果已经存在则返回共享内存；IPC_EXCL(单独使用没有意义)
// IPC_CREAT|IPC_EXCL(如果调用成功，一定会得到一个全新的共享内存)：如果不存在共享内存，就创建；反之，返回出错
// 返回值：shmdi，描述共享内存的标识符
​

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id); // 算法生成key
// pathname：自定义路径名
// proj_id：自定义项目id

shmctl：控制共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
// shmid：共享内存id
// cmd：控制方式，这里我们只使用IPC_RMID 选项，表示删除共享内存
// buf：描述共享内存的数据结构

struct_shmid_ds结构体：

shmat、shmdt：关联、去关联共享内存

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); // 关联
// shmid：共享内存id
// shmaddr：挂接地址(自己不知道地址，所以默认为NULL)
// shmflg：挂接方式，默认为0
// 返回值：挂接成功返回共享内存起始地址(虚拟地址)，类似C语言malloc
​
    
int shmdt(const void *shmaddr); // 去关联(取消当前进程和共享内存的关系)
// shmaddr：去关联内存地址，即shmat返回值
// 返回值：调用成功返回0，失败返回-1

命令行查看共享内存：

ipcs -m // ipcs 查看ipc资源

system V 的IPC资源，生命周期随内核，只能通过程序员显示释放(或者OS重启)

命令行删除共享内存方法：

ipcrm -m shmid

3.1.2. 代码实现

comm.h

#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/shm.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
​
#define PATH_NAME "./"
#define PROJ_ID 0x6666
#define SIZE 4096

server.c

#include"comm.h"
​
int main()
{
 key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
 if(key < 0)
 {
     perror("ftok");
     return 1;
 }
 printf("key-> %x\n", key);
​
 int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666); // 创建全新共享内存
 if(shmid < 0)
 {
     perror("shmget");
     return 1;
 }
 printf("shmid-> %d\n", shmid);
​
 char* mem = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
 // 通信逻辑
 while(1)
 {
     printf("%s\n", mem);// 打印mem内存中的内容
     sleep(1); 
 }
​
 shmdt(mem);
​
 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
​
 return 0;
}

client.c

#include"comm.h"
​
int main()
{
 key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);
 if(key < 0)
 {
     perror("ftok");
     return 1;
 }
​
 int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT);
 if(shmid < 0)
 {
     perror("shmget");
     return 1;
 }
​
 // 挂接
 char* mem = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
 // 通信逻辑
 char c = 'A';
 while(c <= 'Z')
 {
     mem[c - 'A'] = c;
     c++;
     mem[c - 'A'] = 0;
     sleep(2);
 }
​
 // 去关联
 shmdt(mem);
​
 //该共享内存不由client创建，所以不用它删除
​
 return 0;
}

运行结果：

使用共享内存进行通信时，不需要使用read和write 接口。

共享内存是所有进程间通信中速度最快的。

共享内存不提供任何同步或互斥机制，需要程序员自行保证数据安全。

ps: 共享内存在内核中的申请的基本单位是页，内存页的大小为4KB，如果申请4097个字节，内核会分配8KB空间。

3.2. 消息队列(了解)

3.2.1 实现原理

接口类似与共享内存，底层是一个队列结构

msgget：创建消息队列

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);

msgctl：控制消息队列

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

3.3. 信号量(了解)

什么是信号量？

信号量不是以传输数据为目的，通过共享“资源”的方式，来达到多个进程的同步和互斥的目的！

本质是一个计数器，衡量临界资源中的资源数目。

临界资源：同时被多个进程访问的资源。例如：显示器打印，共享内存，消息队列

临界区：用来访问临界资源的代码，就是临界区。

原子性：执行事件时没有中间过程，且操作不可中断，要么执行完，要么没有执行。

互斥：在任意时刻，只允许一个进程进入临界资源。

同步：两个或多个数据库、文件、模块、线程之间用来保持数据内容一致性的机制。

3.3.1. 实现原理

接口类似共享内存

semget：创建信号量

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

semctl：控制信号量

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

所有的ipc资源都是通过数组组织起来的。

标签： linux 运维 服务器
本文转载自: https://blog.csdn.net/Edward_Asia/article/details/124544624
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