Linux系统编程——进程间通信

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09-linux-day06(进程间通信)

目录：
一、学习目标
二、进程通信——管道
1、管道的概念
2、管道通信举例
3、父子进程实现ps、grep命令
4、ps、grep命令实现问题解决
5、管道的读写行为
6、管道大小和优劣
三、进程通信——FIFO
1、fifo实现通信写端
2、fifo使用注意事项
四、进程通信——mmap
1、mmap映射开始
2、mmap注意事项
3、mmap实现父子进程通信
4、匿名映射
5、mmap实现无血缘关系进程通信
6、mmap（MAP_SHSRED）再次说明
五、进程通信——信号
1、信号的概念

 

一、学习目标

1、熟练使用pipe进行父子进程间通信

2、熟练使用pipe进行兄弟进程间通信

3、熟练使用fifo进行无血缘关系的进程间通信

4、熟练掌握mmap函数的使用

5、掌握mmap创建匿名映射区的方法

6、使用mmap进行有血缘关系的进程间通信

7、使用mmap进行无血缘关系的进程间通信

 

二、进程通信——管道

---

》IPC方法：进程间通信，通过内核提供的缓冲区进行数据交换的机制。

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。
 
在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

1）pipe 管道 (只能有血缘关系的，使用最简单)
2）fifo 信号 (开销最小)
3）mmap 共享映射区 (无血缘关系) 速度最快
4）本地socket 本地套接字 (最稳定)
5）信号（携带信息量最小）
6）共享内存
7）消息队列

---

1、管道的概念

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：
1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性：
① 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
②由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
③ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有，单工通信（广播）、半双工通信（对讲机）、全双工通信（打电话）。

 

2、管道通信举例

》创建管道

man pipe

int pipe(int pipefd[2]);

　　pipefd读写文件描述符，0代表读，1代表写

　　返回值：失败返回-1，成功返回0

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

练习：

>touch pipe.c

>vi pipe.c

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

int main()
{
    int fd[2];//声明数组
    pipe(fd);//创建管道
    pid_t pid = fork();//创建子进程
    
    if(pid == 0){
        //son
        sleep(3);
        write(fd[1],"hello",5);
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
        char buf[12]={0};
        int ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf));//read会等待write写
        if(ret > 0){
            write(STDOUT_FILENO,buf,ret);//相当于printf，打印
        }
    }
    return 0;
}

>make

>./pipe

（父进程会等待，直到管道中有数据。read函数特性，读设备（如：管道），read默认是阻塞的，只要对方打开了管道，就一直（等待）阻塞，直到有水（数据）传来，等待接水（接收数据）。）

 

3、父子进程实现ps、grep命令

>touch pipe_ps.c

>vi pipe_ps.c

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

int main()
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork();
    
    if(pid == 0){
        //son
        //son --> ps
        //1.先重定向
        dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);//标准输出重定向到管道写端
        //2.execlp
        execlp("ps","ps","aux",NULL);//ps aux标准输出
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
        //1.先重定向，标准输入重定向到管道读端
        dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
        //2.execlp
        execlp("grep","grep","bash",NULL);//grep bash等待标准输入
    }
    return 0;
}

>make

>./pipe_ps

（ps没有退，产生了一个僵尸进程！）

 

4、ps、grep命令实现问题解决

pipe_ps.c代码的问题：1）产生了僵尸进程ps；2）父进程认为还有写端存在，就有可能还有人给发数据，继续等待。

>vi pipe_ps.c

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

int main()
{
    int fd[2];
    pipe(fd);
    pid_t pid = fork();
    
    if(pid == 0){
        //son
        //son --> ps
13         //关闭读端
14         close(fd[0]);
        //1.先重定向
        dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);//标准输出重定向到管道写端
        //2.execlp
        execlp("ps","ps","aux",NULL);
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
22         //关闭写端
23         close(fd[1]);
        //1.先重定向，标准输入重定向到管道读端
        dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
        //2.execlp
        execlp("grep","grep","bash",NULL);//grep bash等待标准输入
    }
    return 0;
}

>make

>./pipe_ps

 

5、管道的读写行为

---

使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：
1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。
2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。
3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。
4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。
总结：
① 读管道：1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
    2. 管道中无数据：
    (1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)
    (2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)
    ② 写管道：1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
    2. 管道读端没有全部关闭：
    (1) 管道已满，write阻塞。
    (2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

---

读管道：

　　写端全部关闭——read读到0，相当于读到文件末尾

　　写端没有全部关闭

　　　　有数据——read 读到数据

　　　　没有数据——read 阻塞 ，fcntl 函数可以更改非阻塞

写管道：

　　读端全部关闭——？产生一个信号SIGPIPE，程序异常终止。

　　读端未全部关闭

　　　　管道已满——write阻塞。如果要显示现象，读端一直不读，写端狂写。

　　　　管道未满——write正常写入

测试：（写端全部关闭——read读到0，相当于读到文件末尾）

>vi pipe.c

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

int main()
{
    int fd[2];//声明数组
    pipe(fd);//创建管道
    pid_t pid = fork();//创建子进程
    
    if(pid == 0){
        //son
        sleep(3);
        close(fd[0]);//关闭读端
        write(fd[1],"hello",5);
        close(fd[1]);
        while(1){
            sleep(1);
        }
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
        close(fd[1]);//关闭写端
        char buf[12]={0};
        while(1){
            
            int ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf));//read会等待write写
            if(ret == 0){
                printf("read over!\n");
                break;
            }
            if(ret > 0){
                write(STDOUT_FILENO,buf,ret);//相当于printf，打印
            }
        }

    }
    return 0;
}

>make

>./pipe

（这时候打开另一个终端，ps aux查看子进程仍然活着，使用kill -9 pid杀死）

测试：（读端全部关闭——？产生一个信号SIGPIPE，程序异常终止。）

>vi pipe.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>

int main()
{
    int fd[2];//声明数组
    pipe(fd);//创建管道
    pid_t pid = fork();//创建子进程
    
    if(pid == 0){
        //son
        sleep(3);
        close(fd[0]);//关闭读端
        write(fd[1],"hello",5);
        close(fd[1]);
        while(1){
            sleep(1);
        }
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
        close(fd[1]);//关闭写端
        close(fd[0]);
        
        int status;
        wait(&status);
        if(WIFSIGNALED(status)){
            printf("killed by %d\n", WTERMSIG(status));
        }
        
        //父进程只是关闭读写两端，但是不退出
        while(1){
            sleep(1);
        }
        
        char buf[12]={0};
        while(1){
            
            int ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf));//read会等待write写
            if(ret == 0){
                printf("read over!\n");
                break;
            }
            if(ret > 0){
                write(STDOUT_FILENO,buf,ret);//相当于printf，打印
            }
        }

    }
    return 0;
}

>make

>./pipe

输出：kill by 13

（这时候打开另一个终端，kill -l查看kill的13号信号的标识为：SIGPIPE）

 

6、管道大小和优劣

》计算管道大小

可以使用ulimit –a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。通常为：

pipe size            (512 bytes, -p) 8

也可以使用fpathconf函数，借助参数选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>

>man fpathconf

long fpathconf(int fd, int name);

    成功：返回管道的大小失败：-1，设置errno

 

》优缺点

优点：简单

缺点：1）只能有血缘关系的进程通信；2）父子进程只能单方向通信，如果需要双向通信，需要创建多根管道。　

 

三、进程通信——FIFO

1、fifo实现通信写端

FIFO：有名管道，实现无血缘关系进程通信

 

FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但，FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。

》创建一个管道的伪文件：

法一：

>mkfifo myfifo

>ls -lrt

（prw-rw-r-- 1 wang wang 0 7月 2 12:36 myfifo）

法二：可以用函数创建

>man 3 mkfifo

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

》内核会针对fifo文件开辟一个缓冲区，操作fifo文件，可以操作缓冲区，实现进程间通信——实际上就是文件读写

测试：

>touch fifo_w.c

>vi fifo_w.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2){
        printf("./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    //当前目录有一个myfifo文件
    //打开fifo文件
    int fd = open(argv[1],O_WRONLY);
    //写
    char buf[256];
    int num = 1;
    while(1){//循环写
        memset(buf,0x00,sizeof(buf));
        sprintf(buf,"xiaoming%04d",num++);
        write(fd,buf,strlen(buf));
        sleep(1);
    }
    
    //关闭描述符
    close(fd);
    return 0;
}

>touch myfifo

>touch fifo_r.c

>vi fifo_r.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2){
        printf("./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    //当前目录有一个myfifo文件
    //打开fifo文件
    int fd = open(argv[1],O_RDONLY);
    //写
    char buf[256];
    int ret;
    while(1){//循环读
　　　　　　 memset(buf, 0x00,sizeof(buf));
        ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
        if(ret > 0){
            printf("read:%s\n",buf);
        }
    }
    
    //关闭描述符
    close(fd);
    return 0;
}

>make

>./fifo_w

（这时候打开另一个终端，./fifo_r读myfifo种的数据。也可以打开多个终端写，多个终端读，抢占读/写数据）

 

2、fifo使用注意事项

>vi fifo_w.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2){
        printf("./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    //当前目录有一个myfifo文件
    //打开fifo文件
    printf("begin open....\n");
    int fd = open(argv[1],O_WRONLY);
    printf("end open....\n");
    //写
    char buf[256];
    int num = 1;
    while(1){//循环写
        memset(buf,0x00,sizeof(buf));
        sprintf(buf,"xiaoming%04d",num++);
        write(fd,buf,strlen(buf));
        sleep(1);
    }
    
    //关闭描述符
    close(fd);
    return 0;
}

>vi fifo_r.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2){
        printf("./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    //当前目录有一个myfifo文件
    //打开fifo文件
    printf("begin open read....\n");
    int fd = open(argv[1],O_RDONLY);
    printf("begin open end....\n");
    //写
    char buf[256];
    int ret;
    while(1){//循环读
        memset(buf, 0x00,sizeof(buf));
        ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
        if(ret > 0){
            printf("read:%s\n",buf);
        }
    }
    
    //关闭描述符
    close(fd);
    return 0;
}

>make

>./fifo_w

（这时候打开另一个终端，./fifo_r读myfifo种的数据。也可以打开多个终端写，多个终端读，抢占读/写数据）

FIFOs

　　Opening the read or write end of a FIFO blocks until the other end is also opened (by another process or thread.) See fifo (7) for further details.

open注意事项：打开fifo文件的时候，read端会阻塞等待write端open，write端同理，也会阻塞等待另外一端打开。

>man 7 fifo

查看fifo信息

 

四、进程通信——mmap

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。
    使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

1、mmap映射开始

>man mmap

》创建映射区

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

　　addr 传 NULL

　　length 映射区的长度

　　prot

　　　　PROT_READ 可读

　　　　PROT_WRITE 可写

　　flags

　　　　MAP_SHARED 共享的，对内存的修改会影响到源文件

　　　　MAP_PRIVATE 私有的

　　fd 文件描述符，open打开一个文件

　　offset 偏移量

　　返回值：成功返回可用的内存首地址；失败返回MAP_FAILED

》释放映射区

同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。

借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？

int munmap(void *addr, size_t length);

　　addr 传mmap的返回值

　　length mmap创建的长度

　　返回值：成功返回0，失败返回-1

练习：

>touch mem.txt

>vi mem.txt

xxxxxxxxxxxxx

>touch mmap.c

>vi mmap.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd = open("mem.txt",O_RDWR);
    
    //创建映射区
    char *mem = mmap(NULL,8,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);//如果是MAP_PRIVATE，不会更改源文件
    
    if(mem == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        return -1;
    }
    
    //拷贝数据
    strcpy(mem,"hello");
    
    //释放mmap
    munmap(mem, 8);
    
    close(fd);
    return 0;
}

>make

>./mmap

>cat mem.txt

 

2、mmap注意事项

解答：

（1）不能！！！（测试：mem++，然后释放，make后运行./mmap）

（2）文件的大小对映射区操作有影响，尽量避免。（测试：写入helloworld，make后运行./mmap，cat mem.txt文件为xxxxxxxxxxxxx时结果为：helloworldxxx；mem.txt文件为xxxxxxxx时，make后运行./mmap,cat mem.txt结果为helloworl）

另外如果不越界，而是大于文件大小，结果如何？

文件的大小对映射区操作有影响，尽量避免。

测试：在（5）中修改ftruncate(fd,8);mmap中修改为20。（测试：写入helloworld，make后运行./mmap，cat mem.txt文件为xxxxxxxx时，make后运行./mmap,cat mem.txt结果为helloworl）

（3）不可以，offset必须是4k的整数倍。（测试：ps aux > mem.txt；然后ls -l mem.txt看下文件大小，将offset改为1000，make后运行./mmap报错：mmap error:Invalid argument）

注意：0也是4096的整数倍！！！

（可以用ls -l mmap.c，然后stat mmap.c查看文件大小及块数）

（4）没有影响。（测试：将close(fd);放到strcpy(mem,"hello");之前，make后运行./mmap）

（5）不可以用大小为0的文件。（测试：将打开文件更改为：int fd = open("mem.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);（创建并且截断文件，保证打开时大小为0）make后./mmap报错：总线错误（核心已转储）；在其后增加代码：ftruncate(fd,8);扩展文件大小，cat mem.txt结果为hellowor）

（6）不可以，Permission denied没有权限，原因映射到内存，隐含一次读操作。（测试：int fd = open("mem.txt",O_RDWR);将打开文件时O_RDWR更改为：O_WRONLY；make后./mmap报错：mmap err: Permisson denied）

（7）不可以，Permission denied没有权限，原因后期修改数据MAP_SHARED，可以修改源文件。（测试：int fd = open("mem.txt",O_RDWR);将打开文件时O_RDWR更改为：O_RDONLY；make后./mmap报错：mmap err: Permisson denied）

所以：open文件时候权限应该大于等于mmap时的权限！！！

（8）很多情况。

（9）会死的很难看 o(∩_∩)o 哈哈

 

总结：使用mmap时务必注意以下事项：
1.    创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。

2.    当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。

3.    映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。

4.    特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！    mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。

5.    munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。

6.    文件偏移量必须为4K的整数倍

7.    mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

 

3、mmap实现父子进程通信

父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

MAP_PRIVATE:  (私有映射)  父子进程各自独占映射区；

MAP_SHARED:  (共享映射)  父子进程共享映射区；

练习：

>touch mem.txt

>vi mem.txt

xxxxx

>touch mmap_child.c

>vi mmap_child.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    //先打开文件（有源文件）
    int fd = open("mem.txt",O_RDWR);
    
    //创建映射区
    int *mem = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    
    if(mem == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        return -1;
    }
    
    //fork子进程
    pid_t pid = fork();
    
    //父进程和子进程交替修改数据
    if(pid == 0){
        //son
        *mem = 100;
        printf("child,*mem = %d\n",*mem);
        sleep(3);
        printf("child,*mem = %d\n",*mem);
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
        sleep(1);
        printf("parent,*mem = %d\n",*mem);
        *mem = 1001;
        printf("parent,*mem = %d\n",*mem);
        wait(NULL);//回收子进程
    }

    //释放mmap
    if(munmap(mem, 4) < 0){
        perror("munmap err");
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

>make

>./mmap_child

》结论：父子进程共享：1. 打开的文件  2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)

 

4、匿名映射

通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。 可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。

缺点：匿名映射无法实现无血缘关系的进程的通信！！！

使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)， 如:

int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

　　"4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。

 

测试：

>touch mmap_anon.c

>vi mmap_anon.c

（重定向头文件：head -7 mmap_child.c > mmap.anon.c）

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    //创建映射区
    int *mem = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0);
    
    if(mem == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        return -1;
    }
    
    //fork子进程
    pid_t pid = fork();
    
    //父进程和子进程交替修改数据
    if(pid == 0){
        //son
        *mem = 101;
        printf("child,*mem = %d\n",*mem);
        sleep(3);
        printf("child,*mem = %d\n",*mem);
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
        sleep(1);
        printf("parent,*mem = %d\n",*mem);
        *mem = 1001;
        printf("parent,*mem = %d\n",*mem);
        wait(NULL);//回收子进程
    }

    //释放mmap
    if(munmap(mem, 4) < 0){
        perror("munmap err");
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

>make

>./mmap_anon

 

需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。

》/dev/zero 聚宝盆，可以随意映射

》/dev/null 无底洞，一般错误信息重定向到这个文件中，不会占用磁盘空间。

在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。

1）fd = open("/dev/zero", O_RDWR);

2）p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);

 

5、mmap实现无血缘关系进程通信

实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。

>touch mmap_w.c

>vi mmap_w.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<sys/wait.h>

typedef struct _Student{
    int sid;
    char sname[20];
}Student;


int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2){
        printf("./a.out filename\n");
        return -1;
    }
    
    //1.open file
    int fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREATE|O_TRUNC,0666);
    int length = sizeof(Student);
    
    ftruncate(fd,length);//指定大小
    //2.mmap
    Student *stu = mmap(NULL,length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    
    if(stu == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        return -1;
    }
    
    //3.修改内存数据
    int num = 1;
    while(1){
        stu->sid = num;
        sprintf(stu->sname,"xiaoming-%03d",num++);
        sleep(1);//相当于每隔1s修改一次映射区的内容
    }
    
    
    //4.释放映射区，关闭文件描述符
    if(munmap(stu, length) < 0){
        perror("munmap err");
    }
    close(fd);
    
    return 0;
}

>touch mmap_r.c

>vi mmap_r.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<sys/wait.h>

typedef struct _Student{
    int sid;
    char sname[20];
}Student;


int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 2){
        printf("./a.out filename\n");
        return -1;
    }
    
    //1.open file
    int fd = open(argv[1],O_RDWR);
    int length = sizeof(Student);
    
    //2.mmap
    Student *stu = mmap(NULL,length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    
    if(stu == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        return -1;
    }
    
    //3.read data
    while(1){
        printf("sid=%d,sname=%s\n",stu->sid,stu->sname);
        sleep(1);//相当于每隔1s修改一次映射区的内容
    }
    
    
    //4.close and munmap
    if(munmap(stu, length) < 0){
        perror("munmap err");
    }
    close(fd);
    
    return 0;
}

>make

>./mmap_w xxx

（这时候打开另一个终端，./mmap_r xxx查看；多开终端，读到的结果一样！）

原理图分析：（映射两块不同的内存！）

 

6、mmap（MAP_SHSRED）再次说明

 >vi mmap_child.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    //先打开文件（有源文件）
    int fd = open("mem.txt",O_RDWR);
    
    //创建映射区
    int *mem = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);
    
    if(mem == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        return -1;
    }
    
    //fork子进程
    pid_t pid = fork();
    
    //父进程和子进程交替修改数据
    if(pid == 0){
        //son
        *mem = 100;
        printf("child,*mem = %d\n",*mem);
        sleep(3);
        printf("child,*mem = %d\n",*mem);
    }
    else if(pid > 0){
        //parent
        sleep(1);
        printf("parent,*mem = %d\n",*mem);
        *mem = 1001;
        printf("parent,*mem = %d\n",*mem);
        wait(NULL);
    }

    //释放mmap
    if(munmap(mem, 4) < 0){
        perror("munmap err");
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

>make

>./mmap_chilid

（查看父子进程的数据，得知MAP_PRIVATE，无法共享）

 如果进程要通信，flags必须设为MAP_SHARED，否则无法通信！

 

作业

 》多进程拷贝

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    int n = 5;
    //输入参数至少是3，第4个参数可以是进程个数
    if(argc < 3){
        printf("./a.out src dst [n]\n");
        return 0;
    }
    if(argc == 4){
        n = atoi(argv[3]);
    }
    //打开源文件
    int srcfd = open(argv[1],O_RDONLY);
    if(srcfd < 0){
        perror("open err");
        exit(1);
    }
    //打开目标文件
    int dstfd = open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);
    if(dstfd < 0){
        perror("open dst err");
        exit(1);
    }
    //目标拓展，从原文件获得文件大小，stat
    struct stat sb;
    stat(argv[1],&sb);//为了计算大小
    int len = sb.st_size;
    truncate(argv[2],len);
    //将源文件映射到缓冲区
    char *psrc = mmap(NULL, len, PROT_READ,MAP_SHARED,srcfd,0);
    if(pdst == MAP_FAILED){
        perror("mmap dst err");
        exit(1);
    }
    //创建多个子进程
    int i = 0;
    for(i = 0; i < n; i++){
        if(fork() == 0){
            break;
        }
    }
    //计算子进程需要拷贝的起点和大小
    int cpsize = len/n;
    int mod = len%n;
    //数据拷贝，memcpy
    if(i < n){//子进程
        if(i == n-1){//最后一个子进程
            //（首地址，源地址，大小）
            memcpy(pdst+i*cpsize,psrc+i*cpsize,cpsize+mod);
        }
        else{
            memcpy(pdst+i*cpsize,psrc+i*cpsize,cpsize);
        }
    }
    else{
        for(i = 0; i < n; i++){
            wait(NULL);
        }
    }
    //释放映射区
    if(munmap(mem, len) < 0){
        perror("munmap dst err");
        exit(1);
    }
    //关闭文件
    close(srcfd);
    close(dstfd);
    return 0;
}

 

 

五、进程通信——信号

1、信号的概念

信号的特点：简单，不能带大量信息，满足特定条件发生。

信号的机制：进程B发送给进程A，内核产生信号，内核处理。

信号的产生：

　　按键产生：Ctrl+c，Ctrl+z，Ctrl+\

　　调用函数：kill，raise，abort

　　定时器：alarm，setitimer

　　命令产生：kill

　　硬件异常：段错误，浮点型错误，总线错误，SIGPIPE　

信号的状态：

　　产生

　　递达：信号到达并且处理完

　　未决：信号被阻塞了

信号的默认处理方式：

　　忽略

　　执行默认动作

　　捕获

信号的4要素：

　　编号

　　事件

　　名称

　　默认处理动作（可通过man 7 signal查看）：忽略，终止，终止+core，暂停，继续

kill -l 可以查看信号种类，一共64个（只学习前31个）。

 

在学习Linux系统编程总结了笔记，并分享出来。有问题请及时联系博主：Alliswell_WP，转载请注明出处。