进程间通信(IPC)
进程间通信(Interprocess Communication,IPC)是指两个或者多个进程之间进行数据交换的过程 进程拥有独立的内存空间
类别
简单进程间通信
- 命令行参数（向子进程传递和exec系列函数）
- 这里可以这么理解：在创建子进程的时候，命令行参数是共享的
- 可以通过fork 的返回值，传递
- 环境列表 （子进程继承父进程的环境列表和exec系列函数）
- 信号 （信号本身就是一个数据，不同的信号表示不同的数据，sigqueue还可以携带信号附加值）
- 文件 (文件就不赘述，Linux下万物皆文件)
传统进程间通信
-
管道
- 这里管道又可以细分为有名管道和无名管道
- 有名管道
# mkfifo fifo # echo 要写入的数据 > fifo # cat fifo # 管道本身不存储数据。可以当成水管来理解 # 水桶(文件)才是存放数据的容器 # 水管是负责运输，并且一根水管不可能同时做到往水桶里加水和取水- 编程模型
步骤 进程A 函数 进程B 步骤 1 创建管道 mkfifo ---- 2 打开管道 open 打开管道 1 3 读写管道 read/write 读写管道 2 4 关闭管道 close 关闭管道 3 5 删除管道 unlink - 无名管道 只适用于父子进程之间的通信
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
//成功返回0 失败返回-1
pipefd[2] 作为输出参数
-
编程步骤：
- 通过输出参数pipefd得到两个文件描述符，其中 pipefd[0]用于读，pipefd[1]用于写
- pipe函数在内核中创建管道文件，并打开两次，一次读，一次写
- 需要在fork之前调用pipe函数
- 调用fork创建子进程
- 父子进程只允许使用无名管道的一端（如果进程想读，则必须关闭写，如果想写，则必须关闭读）
- 写数据的进程关闭读端(pipefd[0])，读数据的进程关闭写端(pipefd[1])
- 父子进程传输数据
- 父子进程分别关闭自己的文件描述符
-
内存映射(mmap)
- mmap/munmap底层不维护任何东西，只是返回一个首地址，所分配内存位于堆中
- brk/sbrk底层维护一个白板纸地，记录所分配内存的结尾位置，所分配内存位于堆中，底层调用mmap/munmap
- malloc底层维护一个双向链表和必要的控制信息，不可越界访问，所分配内存位于堆中，底层调用brk/sbrk
- 每个进程都有虚拟的内存空间，虚拟内存地址只是一个数字 ，并没有和实际的物理内存将关联
- 所谓内存分配与释放，其本质就是建立或者取消虚拟内存和物理内存之间的映射关系
#include <sys/mman.h>
//虚拟内存映射到物理内存或者文件
void *mmap(
void *addr, //虚拟内存起始位置，如果为NULL则系统自动选定合适的虚拟内存，成功则返回 一般给NULL
size_t length, //映射长度，以字节为单位，自动按照(4K)页对齐
int prot, //映射权限
int flags, //映射标志
int fd, //文件描述符，如果映射到文件则需要指定 如果不是映射到文件(匿名映射)则给0即可
off_t offset //文件偏移量，自动按照页(4k)对齐
);
/*
成功返回映射区内存的起地址，失败返回-1 (MAP_FAILED)
prot 权限取值:
PROT_EXEC - 映射区可执行
PROT_READ - 映射区可读
PROT_WRITE - 映射区可写
PROT_NONE - 映射区不可访问
如果既需要读，也需要写，则 PROT_READ|PROT_WRITE
flags 映射标志:
MAP_FIXED - 若在addr内存地址上无法创建映射，则失败(无此标志系统会自动调整合适位置)
MAP_SHARED - 对映射区域的写入操作直接写入到文件中
MAP_PRIVATE - 对映射区的写入操作只写入到缓冲区中，不会真正写入到文件
MAP_ANONYMOUS - 匿名映射 将虚拟内存映射到物理内存而非文件 忽略fd 和 offset参数
MAP_DENYWRITE - 拒绝其它对文件的写入操作
MAP_LOCKED - 锁定映射区域，保证其不被置换
一定需要 MAP_SHARED 和 MAP_PRIVATE 二选一
*/
//取消内存映射
int munmap(void *addr,size_t length);
XSI进程间通信
IPC标识
- 内核为每个进程间通信维护一个结构体形式的IPC对象
- 该IPC对象可通过一个非负整数的IPC标识来引用
- 与 文件描述符不同，IPC标识在使用时会持续加1，当达到最大值时，向0回转
- 非负整数，唯一标识一个进程间通信的IPC对象
IPC键值
- IPC标识是IPC对象的内部名称（编号）
- 若多个进程需要在同一个IPC对象上会合(使用同一个进程间通信渠道)，则必须通过键值作为其外部名称来引用该IPC对象，IPC键值外部名称
- 无论何时，只要创建IPC对象，就必须指定个键值
- 键值的数据类型在sys/types.h头文件中被定义为key_t类型，其原始类型就是长整型
两个进程如何在同一个IPC对象上汇合
- 方式一: 服务器进程以PIC_PRIVATE为键值创建一个新的IPC对象，并将该IPC对象的标识存放在某外(如文件中)，客户端进程就只可以去该文件中读取
- 方式二: 在一个公共头文件中，定义一个两个进程都认可的键值，服务器进程用此键值创建IPC对象，客户端进程用该键值获取 IPC对象
- 方式三: 两个进程事先约定好一个路径名和一个项目ID（0-255）,通过路径名和ID调用ftok函数，将二者转换为一个唯一的键值
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname,int pro_id);
pathname - 一个真实存在的文件或者目录的路径名
pro_id - 项目ID,低8位有效，其值域[0,255]
成功返回键值，失败返回-1
注意：起作用的是pathname参数所表示的路径，而非pathname字符串本身
实现方式
-
共享内存
基本特点：
- 两个或者更多的进程，共享同一块系统内核负责维护的内存区域，其地址空间通常被映射到堆栈之间
- 无需复制信息（数据），最快的一种IPC机制
- 需要考虑同步访问的问题
- 内核为每个共享内存，维护一个shmid_ds结构体形式的共享内存对象
#include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> //1.创建/获取共享内存 内核维护 int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg); /* A.以参数key作为键值创建共享内存，如果共享内存已经存在，则获取该共享内存 B.size参数指定共享内存的大小(单位字节),建议取4096的整数倍 若希望创建共享内存，则必须指定size参数 若只是获取已有的共享内存，则size参数可以传递0 C.参数shmflg标识 0 - 获取，如果共享内存不存在则获取失败 IPC_CREAT - 创建，不存在则创建 存在则获取(除非指定IPC_EXCL) 如果IPC_CREAT需要给定共享内存的权限(mode) IPC_CREAT|0644 IPC_EXCL - 排斥，和IPC_CREAT按位域，如果共享内存已经存在则失败 成功返回共享内存的标识，失败返回-1 */ //2.加载共享内存 将进程中的虚拟内存地址映射到共享内存中 void* shmat(int shmid,void *shmaddr,int shmflg); /* A.将shmid(shmget的返回值)参数所标识的共享内存，映射到调用进程的地址空间 B.可以通过参数shmaddr(进程中的虚拟地址)人为指定映射地址，也可以将参数置为NULL,由系统自动选择 C.参数shmflg标识: 0 - 以读写方式使用共享内存 SHM_RDONLY - 以只读方式使用共享内存 SHM_RND - 只在shmaddr参数非NULL时才起作用，表示对shmaddr参数向下取内存页的整数倍作为映射地址 成功返回映射地址，失败返回-1(0XFFFFFFF) 如果加载成功，内核将该共享内存的加载计数加1(共享内存由内核维护,记录有多少个进程加载了该共享内存) */ //3.卸载共享内存 int shmdt(const void *shmaddr); /* 将参数shmaddr所指向加载的共享内存映射从调用进程的取消映射 成功返回0，失败返回-1 如果卸载成功，内核会将该共享内存的加载计数减1 */ //4.销毁/控制共享内存 int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds* buf); /* A.参数shmid是shmget的返回值 是对shmid所标识的共享内存进行删除/获取共享内存的信息 B.cmd取值 IPC_STAT - 获取共享内存的属性，通过buf参数输出 IPC_SET - 设置共享内存的属性，通过buf参数输入，仅三个属性可设置 shm_perm.uid 用户ID shm_perm.gid 组ID shm_perm.mode 权限 IPC_RMID - 标记删除共享内存 并非真正删除共享内存，只是做一个删除标记，禁止其被继续加载，但已有加载依然保留。 只有当该共享内存的加载计数为0且使用IPC_RMID时才真正被删除 成功返回0 失败返回-1 */ struct shmid_ds{ struct ipc_perm shm_perm; //所有者及权限 size_t shm_segsz; //共享内存大小(以字节为单位) time_t shm_atime; //最后加载时间 time_t shm_dtime; //最后卸载时间 time_t shm_ctime; //最后修改时间 pid_t shm_cpid; //创建共享内存的进程ID pid_t shm_lpid; //最后加载、卸载进程的ID shmatt_t shm_nattch; //当前加载计数 ... }; struct ipc_perm{ key_t __key; //键值 uid_t uid; //有效属主ID gid_t gid; //有效属组ID uid_t cuid; //有效创建者ID gid_t cgid; //有效创建组ID unsigned short mode; //权限 unsigned short __seq;//序列号 };#ipcs -m #查看当前系统的共享内存 #ipcrm -m shmid #删除指定的共享内存 -
消息队列
基本特点
- 消息队列是由一个系统内核负责存储和管理，并通过消息队列标识引用的数据链表
- 可以通过msgget函数创建一个新的消息队列 ，或者获取一个已经存在的消息队列
- 通过msgsnd函数向消息队列的后端追加消息(需要把消息从用户空间拷贝到内核空间)
- 通过msgrcv函数从消息队列的前端按要求提取消息(需要把消息从内核空间拷贝到用户空间)
- 消息队列中的每个消息除了消息本身数据以外，还包含消息类型和数据长度
- 内核为每个消息队列 ，维护一个msqid_ds结构体形式的消息队列对象
#include <sys/msg.h> //msgget 创建或者获取消息队列 int msgget(key_t key,int msgflg); /* A.该函数以参数key作为键值创建消息队列，如果存在则获取消息队列 B.msgflg标识 0 - 获取，不存在即失败 IPC_CREAT - 创建，不存在则创建，已存在则获取，除非 创建时需要给定权限 IPC|0644 IPC_EXCL - 排斥，创建时如果已经存在则创建失败 成功返回消息队列标识，失败返回-1 */ //msgsnd向消息队列发送消息 int msgsnd(int msgqid,const void *msgp,size_t msgsz,int msgflg); /* A. msgqid 消息队列的标识 msgget函数的返回值 B. msgp参数是一个指针，指针指向一块内存，内存中包含消息类型和消息数据 内存中的前4/8个字节必须是一个大于0的整数，代表消息类型，其后紧跟消息数据 消息数据的字节长度用msgsz参数表示 注意:msgsz长度并不包含消息类型4/8个字节 +------------+--------------------+ msgp--> |消息类型(>0) | 消息数据 | +------------+--------------------+ |<-4/8Byte-> |<----msgsz--------->| C.若内核中消息队列缓冲区有足够的空闲空间，则此函数会将消息拷入缓冲区并立即返回0，表示发送成功，否则此函数会阻塞，直到内核中的消息队列缓冲区有足够的空闲空间为止(比如有消息被接收) D.若msgflg参数包含IPC_NOWAIT位，则当内核中的消息队列没有足够空闲空间时，此函数不会阻塞，而是直接返回-1，且errno设置为EAGAIN 成功返回0 失败返回-1 */ //msgrcv 从消息队列中接收消息 ssize_t msgrcv(int msgqid,void *msgp,size_t msgsz,long msgtype,int msgflg); /* A.msgqid 消息队列标识，msgget函数的返回值 B.msgp指针指向一个包含消息类型(4byte)和消息数据的内存块，用于存储消息类型和消息数据本身 C.msgsz参数用来标明消息数据缓冲区字节大小 msgp指针指向的内存块的大小-4/8byte D.若所接收到的消息字节数据大于msgsz参数，即消息太长 E.如果msgflg参数中包含MSG_NOERROR位，则消息太长会被截取msgsz字节返回，剩余部分会被丢弃 如果msgflg参数不包含MSG_NOERROR五个，消息太长时，不会对该消息做任何处理，直接返回-1，且errno设置为E2BIG F.msgtype参数表示期望接收哪类消息 msgtype = 0 - 返回消息队列中的第一条消息 msgtype > 0 - 若msgflg参数不包含MSG_EXCEPT位，则返回消息队列中第一个类型为msgtype的消息 如果msgflg参数包含MSG_EXCEPT位，则返回消息队列中第一个消息类型不为msgtype的消息 msgtype < 0 - 返回消息队列中类型小于等于msgtype绝对值的消息 如果有多条消息满足，则返回消息类型最小的第一条消息 G.若消息队列中有可接收的消息，则此函数会将该消息移出消息队列拷贝到msgp内存中并立即返回0，表示接收成功 如果消息队列中没有可接收的消息，则此函数会阻塞，直到消息队列中有可接收的消息为止 H.如果msgflg参数包含IPC_NOWAIT位，则当消息队列中没有可接收的消息时(没有满足要求的消息),则此函数不会阻塞，而是返回-1，设置errno为ENOMSG 成功返回所接收到消息数据的字节数，失败返回-1 */ //msgctl销毁/控制消息队列 int msgctl(int msgqid,int cmd,struct smqid_ds *buf); /* cmd的取值: IPC_STAT - 获取消队列的属性，通过buf参数输出 IPC_SET - 设置消息队列的属性，通过buf输入 msg_perm.uid msg_perm.gid msg_perm.mode msg_qbytes IPC_RMID - 立即删除消息队列 此时所有阻塞在该消息队列的，msgsnd/msgrcv函数调用都会立即返回失败，errno设置为EIDRM 成功返回0 失败返回-1 */ struct msqid_ds{ struct ipc_perm msg_perm; //权限依赖 time_t msg_stime; //最后发送时间 time_t msg_rtime; //最后接收时间 time_t msg_ctime; //最后修改时间 unsigned long _msg_cbytes; //消息队列中的字节数 msgqumt_t msg_qnum; //消息队列中消息数 msglen_t msg_qbytes; //消息队列能容纳的最大字节数 pid_t msg_lspid; //最后发送消息进程ID pid_t msg_lrpid; //最后接收消息进程ID }; struct ipc_perm{ key_t __key; //键值 uid_t uid; //有效属主ID gid_t gid; //有效属组ID uid_t cuid; //有效创建者ID gid_t cgid; //有效创建组ID unsigned short mode; //权限 unsigned short __seq;//序列号 };#ipcs -q # 查看消息队列 #ipcrm -q msqid # 删除指定的消息队列 -
信号量
基本特点
- 本质上是用于限制对于共享资源访问的进程数量 计数器
- 计数器如果设置为1，表示任意时刻只允许一个进程对共享资源进行访问 文件锁写锁 独占锁
- 多个进程获取有限资源操作模式
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- 获取控制该资源的信号量
- 若信号量的值大于0，则进程可以使用该资源，为了表示该进程已获得该资源，需要将信号量的值减1
- 若信号等于0，则该进程休眠等待资源，直到信号量的值大于0，进程被唤醒，执行1步骤
- 当进程不再使用该资源时，为了表示进程释放该资源，需要将信号量的值加1，正在休眠等待该资源的其它进程将会被唤醒
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- 信号量 类似于 锁
#include <sys/sem.h> //semget 创建/获取信号量集 信号量数组 int semget(key_t key,int nsems,int semflg); /* 该函数是以key作为键值创建一个信号量集合(nsems参数表示集合中信号量的数量),如果是获取已经存在的信号量集合则nsems可以取0 semflg取值: 0 - 获取，不存在则失败 IPC_CREAT - 创建，不存在则创建，存在即获取，除非IPC_EXCL IPC_EXCL - 排斥，和IPC_CREAT一起使用，如果信号量集合存在则失败 成功返回信号量集合标识，失败返回-1 */ //semop 操作信号量/信号量集合 int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops); /* semid参数是信号量集合的标识，semget函数的返回值 sops： 其实是一个数组的首地址 如果只有一个元素时，可以是一个元素的首地址 nsops：数组长度 sops数组中每个元素都是stuct sembuf的数据 执行操作如下: 若sem_op大于0,则将其加到sem_num下标所表示的信号量的计数值上，以表示对资源的释放 若sem_op小于0,则将其从sem_num下标所表示的信号量减去sem_op的绝对值，以表示对资源的获取 若sem_num信号量的计数值不够减(信号量数值不能为负),则此函数会阻塞，直到该信号量够减为止，以表示对资源的等待; 若sem_flg包含IPC_NOWAIT，则当sem_num信号量计数值不够减时，此函数不会阻塞，而是返回-1，errno设置为EAGAIN,以便在等待资源的同时还可以做其它处理 若sem_op等于0，则直到sem_num所表示的信号量的计数值为0时才返回，除非sem_flg包含IPC_NOWAIT 成功返回0，失败返回-1 */ struct sembuf{ unsigned short sem_num; //信号量下标 下标从0开始，表示操作哪一个信号量 short sem_op; //操作数 1 -1 short sem_flg; //操作标记 }; //semctl 销毁/控制信号量集 int semctl(int semid,int semnum,int cmd); int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg); /* IPC_STAT- 获取信号量集合的属性，通过arg.buf输出 IPC_SET - 设置信号量集合的属性，通过arg.buf输入 sem_perm.uid sem_perm.gid sem_perm.mode IPC_RMID- 立即删除信号量集合 此时所有阻塞在对该信号量集合的semop函数调用，都会立即返回失败，errno设置为EIDRM GETALL - 获取信号量集合中每个信号量的计数值，通过arg.array输出 SETALL - 设置信号量集合中每个信号量的计数值，通过arg.array输入 GETVAL - 获取信号量集合中，下标为semnum信号量的计数值，通过返回值输出 SETVAL - 设置信号量集合中，下标为semnum信号量的计数值，通过arg.val输入 注意：只有针对信号量集合中具体某个信号量操作时，才会使用semnum参数，针对整个信号量集合操作，会忽略semnum 成功因cmd而异，失败返回-1 */ union emun{ int val; //value for SETVAL struct sem_ds *buf; //Buffer for IPC_STAT IPC_SET unsigned short *array; //Array for GETALL SETALL struct seminfo *__buf; //buffer for IPC_INFO }; struct sem_ds{ struct ipc_perm sem_perm; //权限 time_t sem_otime; //最后semop操作的时间 time_t sem_ctime; //最后修改时间 unsigned short sem_nsems; //信号量集合中信号量的数据 }; struct ipc_perm{ key_t __key; //键值 uid_t uid; //有效属主ID gid_t gid; //有效属组ID uid_t cuid; //有效创建者ID gid_t cgid; //有效创建组ID unsigned short mode; //权限 unsigned short __seq;//序列号 }; - 本质上是用于限制对于共享资源访问的进程数量 计数器
网络进程间通信
- socket套接字
- 这里参考我另一边博文 TCP/UDP编程模型
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