Linux进程间通信

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🍔1.进程间通信介绍

在系统中，进程之间可能会存在特定的协同工作的场景。一个进程要把自己的数据交付给另一个进程，让其进行处理。两个进程要互相通信其实并不容易，因为进程具有独立性，想要通信必须先看到一份公共资源(一段内存)，而这个资源不可能属于任何一个进程，这样就违背独立原则，而是由操作系统管理，所以进程间通信的本质:其实是由OS参与，提供一份所有通信进程都能看到的公共资源。

🍟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（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”。

在OS中，父进程创建出子进程，它们共享同一份代码和数据，直至发生写时拷贝，才各自拥有一份数据，不知道大家有没有想过，当父进程创建出一个文件时，子进程是否也会创建出一个文件，实际上并不会，因为父子进程是共享代码和数据，而文件不属于进程，所以父子进程会共同访问这个文件，当父进程向文件写入数据时，数据会保存在文件的内核缓冲区，此时子进程可以读取到这段数据，这样进程间就建立起了通信，这就是管道。

🌭2.2站在文件描述符角度-深度理解管道

图示的管道就是刚刚我们所说的文件的

内核缓冲区

。管道是一个只能单向通信的通信信道

🌭2.3创建匿名管道

#include<unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型
intpipe(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

匿名管道特点

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。

管道是有大小的，是

64KB

。
为什么写满64KB后，不能再写了，虽然我们写满了，但我们可以覆盖数据，这样可以继续写。因为我们需要给读的人来读，如果写满就覆盖了，那么读的人读到的数据就不完整了。当管道满了后，当读的人读了一定的数据后(在Linux下是4KB)，管道会继续写入，所以管道有

同步机制

。
Linux中是这样描述这种现象的

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。

在使用管道进行读写操作时，我们通常会遇到以下四种情况:
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.写端不写或写的慢，读端要等写端
4.写端关闭，读端读完pipe内部的数据然后再读，会读到0，表明读到文件结尾。

🌭2.4创建命名管道

• 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
• 命名管道的数据不会刷新到磁盘，为了效率

指令

mkfifo 管道名称

成功创建则返回0，失败返回-1。
这是一个以p开头的文件

我们之前说过，进程是具有独立性的，所以进程间通信的成本是比较高的，想要让进程间通信就必须让不同的进程先要看到同一份资源。
接下来我们用代码来实现进程间的通讯。



这个时候就可以进行两个进程间的通讯了。

学了匿名管道和命名管道，不知你是否有疑问为什么我们之前的pipe叫做匿名管道，为什么现在的fifo叫做命名管道呢？
为了保证不同的进程看到同一个文件，所以命名管道必须有名字。
而匿名管道是通过父子继承的方式，看到同一份资源，不需要名字来标识同一个资源。

🌭2.5System V进程间通信

在OS层面专门为进程间通信设计的一个方案。
System V 进程通信，一定会存在专门用来通信的接口(system call)
System V的IPC资源的生命周期是随内核的。(即只能通过程序员手动释放或OS重启)

共享内存

1.通过某种调用，在内存中创建一份内存空间
2.通过某种调用，让参与通信的进程"挂接"到这份新开辟的内存空间上。
满足以上两个条件的就是共享内存。

需要知道的是:
1.共享内存在系统中可能存在多份。
2.共享内存有标识唯一性的ID，方便让不同的进程能识别同一个共享内存资源。
创建共享内存

intshmget(key_t key,size_t size,int shmflg)//size的大小建议是4KB//若申请不到4KB，则分配4KB，若申请超过4KB，则向上取整。例如申请4097个字节，即4096(4KB)+1，操作系统会给你8KB的空间。

先来说说shmflg标志位

如果单独使用

IPC_CREAT

,或者flag为0:不存在则创建一个共享内存，若存在则直接返回当前已经创建好的共享内存。
IPC_EXCL(单独使用没有意义)
IPC_CREAT | IPC_EXCL:如果不存在共享内存，则创建。如果已经有了共享内存，则返回出错。(如果创建成功，我得到的一定是一个最新的，没有被使用过的共享内存)

再来说说参数key，我们刚刚说了共享内存有标识唯一性的ID让不同进程看到同一份资源，这个key就是这个ID，这个ID需要我们自己手动设置，但实际中我们不太方便自己去设定，而是用

ftok

函数帮我们去设定

key_tftok(constchar* pathname,int proj_id);//pathname:自定义路径名//自定义项目ID

控制共享内存

shmctl(int shmid,int cmd,structshimd_ds* buf);//cmd是控制的命令

关联/取消关联共享内存

若关联成功函数会返回一个地址，我们所学的所有的函数返回的地址指的都是虚拟地址。
shmdt并不是释放共享内存，而是取消当前进程和共享内存的关联。
删除共享内存

ipcrm -m shmid

💡:
key值只是用来在系统层面进行标识唯一性的，不能用来管理共享内存
shmid:是OS给用户返回的id，用来在用户层进行关系内存管理。
代码实现共享内存的过程




我们发现key值都是一样的，说明两个进程访问的都是同一块内存

我们刚刚在通过共享内存进行通信时并没有用到read()或write()，所以共享内存一旦建立好并映射进自己进程的地址空间，该进程就可以直接看到该共享内存，就如同malloc的空间一般，不需要任何系统调用接口。(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者互斥机制，需要程序员自行保证数据的安全。
我们来看看共享内存的内核数据结构

我们来看看消息队列的内核数据结构

再来看看信号量的内核数据结构

你们会发现这三个的数据结构的第一个类型都是完全一样的。这是为什么？
因为所有的System V标准的ipc资源都是通过数组组织起来的，xxxid_ds 结构体的第一个成员都是

struct ipc_perm

类型的。
内核中会有一个

struct ipc_perm* ipc_id_arr[64]

的指针数组，有人会有疑惑，类型不一致怎么存？可以通过强制类型转换，如下
ipc_id_arr[0] = (struct ipc_perm*)&shmid_ds
若要访问这个结构体的其它内容，如下
(shmid_ds*)ipc_id_arr[0]->其它属性。
这个操作似乎有些熟悉，熟悉C++的人就会知道这有点像C++的切片技术。

🌭2.6system V信号量

什么是信号量:
管道(匿名和命名)、共享内存、消息队列都是以传输数据为目的的，信号量不是以传输数据为目的的，而是通过共享"资源"的方式来达到多个进程的同步和互斥的目的。
信号量的本质:是一个计数器，类似于

count++/--

这样计数。
什么是临界资源:凡是被多个执行流同时能够访问的资源就是临界资源!同时向显示器打印、进程间通信的时候、管道、共享内存、消息队列等都是临界资源。
什么是临界区:进程的代码可是有很多的，其中，用来访问临界资源的代码，就叫做临界区。
什么是原子性:一件事情要么不做，要么就做到最好，没有中间态，就叫做原子性。

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