Unix环境高级编程(十六)进程间通信
进程间通信（IPC）是指能在两个进程间进行数据交换的机制。现代OS都对进程有保护机制，因此两个进程不能直接交换数据,必须通过一定机制来完成。
IPC的机制的作用：
（1）一个软件也能更容易跟第三方软件或内核进行配合的集成,或移植.如管道,在shell 下执行 ps –aux | grep bash。
（2）简化软件结构, 可以把一个软件划分多个进程或线程,通过IPC,集成在一起工作.如消息队列。
（3）让操作系统各个模块交换数据,包括内核与应用程序机制。
（4）提供进程之间或同一进程之间多线程的同步机制,如信号量。
1、管道
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 只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
管道的创建：int pipe(int fd[2]) ;
管道的读写：管道文件也是一种文件,用write,read
即可完成读写。管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。
管道的关闭：管道文件也是一种文件,因此用close关闭即可。
管道的局限：（1）只支持单向数据流；
（2）只能用于具有亲缘关系的进程之间； （3）没有名字；
（4）管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
（5）管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等。
现在使用管道实现进程的同步，父进程读取子进程输入的数据、子进程读取父进程恢复的数据。实现TELL_WAIT、TELL_PARENT、TELL_CHILD、TELL_PARENT及WAIT_CHILD函数。程序如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5 #include <sys/types.h>
6
7 static int fd1[2],fd2[2];
8
9 void TELL_WAIT()
10 {
11 pipe(fd1);
12 pipe(fd2);
13 }
14
15 void TELL_PARENT(pid_t pid)
16 {
17 write(fd2[1],"c",1);
18 }
19 void WAIT_PARENT(void)
20 {
21 char c;
22 read(fd1[0],&c,1);
23 if(c!='p')
24 {
25 printf("WAIT_PARENT: Incorretc data");
26 exit(0);
27 }
28 else
29 printf("Read from parent.\n");
30 }
31 void TELL_CHILD(pid_t pid)
32 {
33 write(fd1[1],"p",1);
34 }
35 void WAIT_CHILD()
36 {
37 char c;
38 read(fd2[0],&c,1);
39 if(c!='c')
40 {
41 printf("WAIT_CHILD: Incorretc data");
42 exit(0);
43 }
44 else
45 printf("Read from child.\n");
46 }
47
48 int main()
49 {
50 pid_t pid;
51 TELL_WAIT();
52 pid =fork();
53 if(pid == -1)
54 {
55 perror("fork() error");
56 exit(-1);
57 }
58 if(pid == 0)
59 {
60 printf("child process exec.\n");
61 WAIT_PARENT();
62 TELL_PARENT(getppid());
63 }
64 else
65 {
66 printf("Parent process exec.\n");
67 TELL_CHILD(pid);
68 WAIT_CHILD();
69
70 }
71 exit(0);
72 }
程序执行结果如下：
popen和pclose函数
常见的操作时创建一个管道连接到另外一个进程，然后读取其输出或向其输入端发送数据。popen和pcolse函数实现的操作是：创建一个管道，调用fork产生一个子进程，关闭管道的不使用端，执行一个shell以运行命令，然后等待命令终止。函数原型如下：
FILE *popen(const char *command, const char *type);
int pclose(FILE *stream);
函数popen先执行fork，然后调用exec执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针。如果type是“r”，则文件指针连接到cmdstring的标准输出，如果type是“w”，则文件指针连接到cmdstring的标准输入。popen特别适用于构造简单的过滤程序，它变换运行命令的输入或输出。写一个程序，将标准输入复制到标准输出，复制的时候将所有的大写字母变换为小写字母，程序分为两部分，转换程序如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <ctype.h>
3 #include <stdlib.h>
4 int main()
5 {
6 int c;
7 while((c = getchar()) != EOF)
8 {
9 if(isupper(c))
10 c= tolower(c);
11 if(putchar(c) == EOF)
12 printf("output error");
13 if(c=='\n')
14 fflush(stdout);
15 }
16 exit(0);
17 }
将可执行文件保存为change。输入输出程序如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5 #include <errno.h>
6
7 #define MAXLINE 1024
8
9 int main()
10 {
11 char line[MAXLINE];
12 FILE *fpin;
13 if((fpin = popen(".//change","r")) == NULL)
14 {
15 perror("popen() error");
16 exit(-1);
17 }
18 for(; ;)
19 {
20 fputs("prompt> ",stdout);
21 fflush(stdout);
22 if(fgets(line,MAXLINE,fpin) == NULL)
23 break;
24 if(fputs(line,stdout) == EOF)
25 {
26 perror("fputs error to pipe");
27 }
28 }
29 if(pclose(fpin) == -1)
30 {
31 perror("pclose() error");
32 exit(-1);
33 }
34 putchar('\n');
35 exit(0);
36 }
程序执行结果如下
协同进程：当一个进程产生某个过滤程序的输入，同时又读取该过滤程序的输出。popen只提供链接到另一个进程的标准输入或标准输出的一个单向管道，对于协同进程，则连接到另一个进程的两个单向管道，一个接到标准输入，一个接标准输出。写个程序展示一下协同进程，程序从标准输入读入两个整数，调用程序计算它们的和，然后将结果输出到标准输出。过滤程序即求和程序如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <fcntl.h>
5 #include <unistd.h>
6 #define MAXLINE 1024
7
8 int main()
9 {
10 int n,int1,int2;
11 char line[MAXLINE];
12 while((n=read(STDIN_FILENO,line,MAXLINE)) > 0)
13 {
14 line[n] = '\0';
15 if(sscanf(line,"%d%d",&int1,&int2) == 2)
16 {
17 sprintf(line,"%d\n",int1+int2);
18 n = strlen(line);
19 if(write(STDOUT_FILENO,line,n) != n)
20 {
21 perror("write() error");
22 exit(-1);
23 }
24 }
25 else if(write(STDOUT_FILENO,"invalid arg\n",13) != 13)
26 {
27 perror("write() error");
28 exit(-1);
29 }
30 }
31 exit(0);
32 }
编译执行保存为可执行文件为add。
协同程序如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <errno.h>
5 #include <signal.h>
6 #include <string.h>
7 #define MAXLINE 1024
8
9 static void sig_pipe(int);
10
11 int main()
12 {
13 int n,fd1[2],fd2[2];
14 pid_t pid;
15 char line[MAXLINE];
16
17 if(signal(SIGPIPE,sig_pipe) ==SIG_ERR)
18 {
19 perror("signal() error");
20 exit(-1);
21 }
22 if(pipe(fd1) == -1||pipe(fd2) == -1)
23 {
24 perror("pipe() error");
25 exit(-1);
26 }
27 if((pid =fork()) == -1)
28 {
29 perror("fork() error");
30 exit(-1);
31 }
32 if(pid == 0)
33 {
34 close(fd1[1]);
35 close(fd2[0]);
36 if(fd1[0] != STDIN_FILENO)
37 if(dup2(fd1[0],STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
38 {
39 perror("dup2 error in stdin");
40 close(fd1[0]);
41 exit(-1);
42 };
43 if(fd2[1] != STDOUT_FILENO)
44 if(dup2(fd2[1],STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
45 {
46 perror("dup2 error in stdout");
47 close(fd2[1]);
48 exit(-1);
49 };
50 if(execl(".//add","add",(char *)0) == -1)
51 {
52 perror("execl() error");
53 exit(-1);
54 }
55 }
56 else
57 {
58 close(fd1[0]);
59 close(fd2[1]);
60 printf("Enter two number: ");
61 while(fgets(line,MAXLINE,stdin) != NULL)
62 {
63 n = strlen(line);
64 if(write(fd1[1],line,n) != n)
65 {
66 perror("write errot to pipe");
67 exit(-1);
68 }
69 if((n=read(fd2[0],line,MAXLINE)) ==-1)
70 {
71 perror("read error to pipe");
72 exit(-1);
73 }
74 if(n== 0)
75 {
76 printf("child close pipe.\n");
77 break;
78 }
79 line[n] = '\0';
80 printf("The result is: ");
81 fputs(line,stdout);
82 }
83 }
84 }
85
86 static void sig_pipe(int signo)
87 {
88 printf("SIGPIPE caught\n");
89 exit(1);
90 }
程序执行结果如下：
2、FIFO
FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信。FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。
命名管道的命名管道创建：int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode) 。
命名管道的打开：命名管道比管道多了一个打开操作：open ，在open时,用O_NONBLOCK 标志表示非阻塞模式,如fd=open(“/tmp/fifo”,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0)。
命名管道的读入：read 读取管道数据，读取分为阻塞和非阻塞模式,阻塞模式下,如果没有数据被入,进程会在read处停下来.直到有新数据被写入,或管道被关闭,才会继续。
命名管道的写入：write 写入管道数据，PIPE_BUF表示一次触发管道读操作最大长度.如果每次写入数据长于PIPE_BUF ,write将会多次触发read 操作。
命名管道的关闭：管道文件也是一种文件,因此用close关闭即可。
FIFO的两种用途：
（1）FIFO有shell命令使用以便将数据从一条管道线传送到另一条，为此无需创建中间临时文件。
（2）FIFO用于客户进程—服务器进程应用程序中，以在客户进程和服务器进程之间传递数据。
3、XSI IPC
消息队列、信号量、共享存储区相似的特征如下：具有标识符和键，标识符是IPC对象的内部名，每个IPC对象都与一个键相关联，创建IPC结构需要指定一个键，键的数据类型为key_t。每个IPC都设置了权限结构。
优点及缺点：IPC结构是在系统范围内起作用，没有访问计数。在文件系统中没有名字，不使用文件描述符，不能对它们使用多路转接I/O函数。优点：可靠、流是受控的，面向记录、可以用非先进先出方式处理。
