进程间通信 （IPC） 方法总结 (一)

进程间通信 （IPC） 方法总结

进程间通信（IPC，InterProcess Communication）

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：管道、命名管道、信号、消息队列、共享内存、信号量、套接字等。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. 管道 (使用最简单)
2. 信号 (开销最小)
3. 共享映射区 (无血缘关系)
4. 本地套接字 (最稳定)

进程间通信的7种方式

管道/匿名管道（PIPE）

• 管道是半双工，数据只能向一个方向流动；双方需要互相通信时，需要建立起两个管道。
• 只能用于具有亲缘关系的进程（父子进程或者兄弟进程）之间。
• 管道对于两端通信的进程来说就只是一种文件，一种不属于文件系统仅存在内存中的“伪文件”。
• 管道的通信方式为：写端每次都将数据写入管道缓冲区的 末尾 ，而读端每次都从管道缓冲区的 头部 读出数据。

管道的实质

管道的实质是内核利用 环形队列 的数据结构在 内核缓冲区 中的一个实现，默认设置大小为4K，可以通过ulimit -a命令查看。由于利用 环形队列 进行实现，读和写的位置都是自动增长的，不能随意改变，一个数据只能被读取一次，读取后数据就会从缓冲区中移除。当缓冲区读空或者写满时，有一定的规则控制相应的读进程或者写进程进入等待队列，当空的缓冲区有新数据写入或者满的缓冲区有数据读出来时，就唤醒等待队列中的进程继续读写。

管道的局限

• 由于管道采用半双工通信方式。因此，只支持单向数据流。
• 只能由于具有亲缘关系的进程。
• 管道的缓冲区大小有限
• 没有名称

管道的使用

创建管道

int pipe(int pipefd[2]); //成功：0；失败：-1，设置errno

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。

eg.

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd[2];
    int res = pipe(fd);
    if(res == -1)
    {
        perror("pipe error");
        return -1;
    }
    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0){
        // child
        close(fd[1]);// close write
        char buf[100];
        int count = 0;
        while(count < 5)
        {
            memset(buf,0,sizeof(buf));
            int res = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
            if(res > 0)
            {
                buf[res - 1] = '\0';
            }
            printf("I am child! Recv msg:%s from father\n", buf);
            ++count;
        }
        close(fd[0]);
    }else if(pid > 0){
        close(fd[0]);//close read
        int count = 0;
            char buf[100];
        while(count < 5)
        {
            memset(buf,0,sizeof(buf));
            sprintf(buf,"count = %d", ++count);
            int res = write(fd[1],buf,strlen(buf) + 1);// 多一个字节存放\0
            printf("I am father! Send msg:%s to child!\n",buf);
            sleep(2);
        }
        close(fd[1]);
        if(waitpid(pid, NULL, 0) < 0)
        {
            return -1;
        }
    }else{
        perror("fork error!");
        return -1;
    }

    return 0;
}

运行结果：

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。
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：

• 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：
     • 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)。
     • 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)。
• 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：
     • 管道已满，write阻塞。
     • 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

命名管道（FIFO）

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。

命名管道不同于匿名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以命名管道的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与命名管道的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过命名管道相互通信，因此，通过命名管道不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，命名管道严格遵循先进先出(first in first out),对匿名管道及有名管道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。命名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。

匿名管道和命名管道总结

1. 管道是特殊类型的文件，在满足先入先出的原则条件下可以进行读写，但不能进行定位读写。
2. 匿名管道是单向的，只能在有亲缘关系的进程间通信；有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。
3. 无名管道阻塞问题：无名管道无需显示打开，创建时直接返回文件描述符，在读写时需要确定对方的存在，否则将退出。如果当前进程向无名管道的一端写数据，必须确定另一端有某一进程。如果写入无名管道的数据超过其最大值，写操作将阻塞，如果管道中没有数据，读操作将阻塞，如果管道发现另一端断开，将自动退出。
4. 命名管道阻塞问题：命名管道在打开时需要确实对方的存在，否则将阻塞。即以读方式打开某管道，在此之前必须一个进程以写方式打开管道，否则阻塞。此外，可以以读写（O_RDWR）模式打开命名管道，即当前进程读，当前进程写，不会阻塞。

命名管道的使用

创建方式：

1. 命令：mkfifo 管道名

2. 库函数：
   int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); //成功：0； 失败：-1

   一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

eg.

fifo_w.c // 向FIFO中写入数据

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

#define MAX_BUF_SIZE 655360

int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc < 2)
    {
        fprintf(stderr,"usage: %s argv[1].\n",argv[0]);
        return -1;
    }
    if(mkfifo(argv[1], 0666) < 0 && errno != EEXIST)
    {
        fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.",argv[1],strerror(errno));
        return -1;
    }
    int fd;
    if((fd = open(argv[1],O_WRONLY)) < 0)
    {
        fprintf(stderr,"Fail to open mkfifo %s : %s.",argv[1],strerror(errno));
        return -1;
    }
    printf("open for write success\n");
    
    int n;
    char buf[MAX_BUF_SIZE];
    while(1)
    {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));       
        printf(">");
        scanf("%s",buf);
        
        n = write(fd, buf, strlen(buf) + 1);// 将\0也写入
        printf("Write %d bytes.\nSend MSG:%s\n",n, buf);
    }

    return 0;
}

fifo_r.c // 从FIFO中读取数据

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

#define MAX_BUF_SIZE 655360

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc < 2)
    {
        fprintf(stderr,"Usage: %s argv[1]\n",argv[0]);
        return -1;
    }

    if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
    {
        fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s",argv[1],strerror(errno));
        return -1;
    }
    int fd;
    if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0)
    {

        fprintf(stderr,"Fail to open mkfifo %s : %s",argv[1],strerror(errno));
        return -1;
    }
    
    int n;
    char buf[MAX_BUF_SIZE];
    while(1)
    {
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        printf("Read %d bytes\nRECV MSG:%s\n",n, buf);
    }
    return 0;
}

运行结果：

写入：

读取：

信号（SIGNAL）

• 信号是Linux系统中用于进程间互相通信或者操作的一种机制，信号可以在任何时候发给某一进程，而无需知道该进程的状态。
• 如果该进程当前并未处于执行状态，则该信号就有内核保存起来，直到该进程回复执行并传递给它为止。
• 如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消是才被传递给进程。

Linux系统中常用信号：

1. SIGHUP：用户从终端注销，所有已启动进程都将收到该进程。系统缺省状态下对该信号的处理是终止进程。
2. SIGINT：程序终止信号。程序运行过程中，按Ctrl+C键将产生该信号。
3. SIGQUIT：程序退出信号。程序运行过程中，按Ctrl+\键将产生该信号。
4. SIGBUS和SIGSEGV：进程访问非法地址。
5. SIGFPE：运算中出现致命错误，如除零操作、数据溢出等。
6. SIGKILL：用户终止进程执行信号。shell下执行kill -9发送该信号。
7. SIGTERM：结束进程信号。shell下执行kill 进程pid发送该信号。
8. SIGALRM：定时器信号。
9. SIGCLD：子进程退出信号。如果其父进程没有忽略该信号也没有处理该信号，则子进程退出后将形成僵尸进程。
   可以使用 kill -l 查看当前系统可用信号有哪些

信号来源

信号是软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式，，信号可以在用户空间进程和内核之间直接交互，内核可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些系统事件，信号事件主要有两个来源：

• 硬件来源：用户按键输入 Ctrl+C 退出、硬件异常如无效的存储访问等。
• 软件终止：终止进程信号、其他进程调用 kill 函数、软件异常产生信号。

信号生命周期和处理流程

1. 信号被某个进程产生，并设置此信号传递的对象（一般为对应进程的pid），然后传递给操作系统；
2. 操作系统根据接收进程的设置（是否阻塞）而选择性的发送给接收者，如果接收者阻塞该信号（且该信号是可以阻塞的），操作系统将暂时保留该信号，而不传递，直到该进程解除了对此信号的阻塞（如果对应进程已经退出，则丢弃此信号），如果对应进程没有阻塞，操作系统将传递此信号。
3. 目的进程接收到此信号后，将根据当前进程对此信号设置的预处理方式，暂时终止当前代码的执行，保护上下文（主要包括临时寄存器数据，当前程序位置以及当前CPU的状态）、转而执行中断服务程序，执行完成后在回复到中断的位置。当然，对于抢占式内核，在中断返回时还将引发新的调度。

eg.

借助SIGCHLD信号回收子进程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>

void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}

void do_sig_child(int signo)
{
    int status;    pid_t pid;
    while ((pid = waitpid(0, &status, WNOHANG)) > 0) {
        if (WIFEXITED(status))
            printf("child %d exit %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));
        else if (WIFSIGNALED(status))
            printf("child %d cancel signal %d\n", pid, WTERMSIG(status));
    }
}

int main(void)
{
    pid_t pid;    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        if ((pid = fork()) == 0)
            break;
        else if (pid < 0)
            sys_err("fork");
    }
    if (pid == 0) {    
        int n = 1;
        while (n--) {
            printf("child ID %d\n", getpid());
            sleep(1);
        }
        return i+1;
    } else if (pid > 0) {
        struct sigaction act;
        act.sa_handler = do_sig_child;
        sigemptyset(&act.sa_mask);
        act.sa_flags = 0;
        sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);
        
        while (1) {
            printf("Parent ID %d\n", getpid());
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

运行结果：

消息队列（MESSAGE）

• 消息队列是存放在内核中的消息链表，每个消息队列由消息队列标识符表示。
• 与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。
• 另外与管道不同的是，消息队列在某个进程往一个队列写入消息之前，并不需要另外某个进程在该队列上等待消息的到达

消息队列特点总结：

1. 消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识.
2. 消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息
3. 管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。
4. 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。
5. 消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺。
6. 目前主要有两种类型的消息队列：POSIX消息队列以及System V消息队列，System V消息队列目前被大量使用。System V消息队列是随内核持续的，只有在内核重起或者人工删除时，该消息队列才会被删除。

消息队列的使用

对于系统中的每个消息队列，内核维护一个定义在<sys/msg.h>头文件中的信息结构。

struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm ; 
    struct msg*    msg_first ; //指向队列中的第一个消息
    struct msg*    msg_last ; //指向队列中的最后一个消息
    ……
} ;

msgget函数

调用的第一个函数通常是msgget，其功能是打开一个现存队列或创建一个新队列。

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

返回值是一个整数标识符，其他三个msg函数就用它来指代该队列。它是基于指定的key产生的，而key既可以是ftok的返回值，也可以是常值IPC_PRIVATE。
oflag是读写权限的组合(用于打开时)。它还可以是IPC_CREATE或IPC_CREATE | IPC_EXCL(用于创建时)。

msgsnd函数

使用msgsnd打开一个消息队列后，我们使用msgsnd往其上放置一个消息。

#include <sys/msg.h>
int  msgsnd (int msqid,  const void *ptr,  size_t length,  int flag) ;

其中msqid是由msgget返回的标识符。ptr是一个结构指针，该结构具有如下模板(我们需要按这个模板自己定义结构体)

struct mymesg {
    long  mtype ;     //消息类型(大于0)
    char  mtext[512] ;  //消息数据
} ;
//结构体的名字和其中变量名都由我们自己确定，我们只要按照这个模板定义即可。

消息数据mtext中，任何形式的数据都是允许的，无论是二进制数据还是文本，内核根本不解释消息数据的内容。(我们可以在消息的数据部分 再分割一部分 根据需要定义自己的通信协议)

参数length指定了待发送消息数据部分的长度。

参数flag的值可以指定为IPC_NOWAIT。这类似于文件IO的非阻塞IO标志。若消息队列已满，则指定IPC_NOWAIT使得msgsnd立即出错返回EAGAIN。

如果没有指定IPC_NOWAIT，则进程阻塞直到下述情况出现为止：①有空间可以容纳要发送的消息 ②从系统中删除了此队列（返回EIDRM“标识符被删除”）③捕捉到一个信号,并从信号处理程序返回（返回EINTR）

msgrcv函数

使用msgrcv函数从某个消息队列中读出一个消息。

#include <sys/msg.h>
ssize_t  msgrcv (int msqid,  void* ptr,  size_t length,  long type,  int flag) ;

参数ptr指定所接收消息的存放位置。参数length指定了数据部分大小(只想要多长的数据)

参数type指定希望从队列中读出什么样的消息。

type == 0 返回队列中的第一个消息

type > 0  返回队列中消息类型为type的第一个消息

type < 0  返回队列中消息类型值小于或等于type绝对值的消息，如果这种消息有若干个。则取类型值最小的消息。

（如果一个消息队列由多个客户进程和一个服务器进程使用，那么type字段可以用来包含客户进程的进程ID）

参数flag可以指定为IPC_NOWAIT，使操作不阻塞。

msgctl函数

msgctl函数提供在一个消息队列上的各种控制操作。

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

参数cmd说明对由msqid指定的队列要执行的命令：

IPC_STAT ：取此队列的msqid_ds结构，并将它存放在buf指向的结构中。

IPC_SET  ：按由buf指向结构中的值，设置与此队列相关结构中的字段。

IPC_RMID：从系统中删除该消息队列以及仍在该队列中的所有数据。

（这三条命令也可用于信号量和共享存储）

eg.

一个写进程，多个读进程

//-------------------头文件msgqueue.h ------------------
#ifndef _MAGQUEUE_H_
#define _MAGQUEUE_H_
#include <sys/ipc.h> //包含ftok
#include <sys/msg.h>
#include <sys/types.h>
 
//消息队列的读 写模式掩码
#define MSG_W 0200
#define MSG_R 0400
 
//定义众所周知的消息队列键
#define MQ_KEY1 128L
 
#define DATA_SIZE 512
 
typedef struct msgbuf
{
    long mtype ;
    char mdata[DATA_SIZE] ;
} mymsg_t ;
 
#endif
 
//-----------------客户端进程-----------------
 
#include "msgqueue.h"
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
void client(int, int) ;
 
int main(int argc, char** argv)
{
    int  msgqid ;
 
    //打开消息队列
    msgqid = msgget(MQ_KEY1, 0) ;
    if (msgqid < 0)
    {
        puts("Open msg queue error!\n") ;
        exit(0) ;
    }
 
    client(msgqid, msgqid) ;
    exit(0) ;
}
 
void client(int readfd, int writefd)
{
    mymsg_t msgToServer ;
    mymsg_t msgFromServer ;
    char*   writePtr ;
    ssize_t pidLen ;
    ssize_t dataLen ;
    ssize_t recvBytes ;
    int     pid ;
 
    //-------构造一条消息-----
    //消息类型为1
    msgToServer.mtype = 1 ;
 
    //在消息头部放本进程ID和空格
    pid = getpid() ;
    snprintf(msgToServer.mdata, DATA_SIZE, "%ld ", pid) ;
    pidLen = strlen(msgToServer.mdata) ;
    writePtr = msgToServer.mdata + pidLen ;
 
    //从标准输入读入文件路径
    fgets(writePtr, DATA_SIZE - pidLen, stdin) ;
    dataLen = strlen(msgToServer.mdata) ;  
    if (msgToServer.mdata[dataLen-1] == '\n') //删除换行符
    {
        msgToServer.mdata[dataLen-1] = '\0' ;
    }
 
    //发送消息
    if (msgsnd(writefd, &msgToServer, strlen(msgToServer.mdata), 0) == -1)
    {
        puts("Send Error!");
        exit(0) ;
    }
 
    //-----接收来自服务器的消息
    while ((recvBytes = msgrcv(readfd, &msgFromServer, DATA_SIZE, pid, 0)) > 0)
    {
        write(STDOUT_FILENO, msgFromServer.mdata, recvBytes) ;
    }
 
}
 
//---------------服务器端进程---------------
//消息队列是双向通信的，故用单个队列就够用。
//我们用每个消息的类型来标识该消息是从客户到服务器，还是从服务器到客户。
//客户向队列发类型为1、PID和路径名。
//服务器向队列发类型为客户进程ID的文件内容。
//
//小心死锁隐患：
//客户们可以填满消息队列，妨碍服务器发送应答，于是客户被阻塞在发送中，服务器也被阻塞。
//避免的方法是：约定服务器对消息队列总是使用非阻塞写。
 
#include "msgqueue.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
 
void server(int, int) ;
 
int main(int argc, char** argv)
{
    int  msgqid;
 
    //创建消息队列
    msgqid = msgget(MQ_KEY1, IPC_CREAT) ;
    if (msgqid < 0)
    {
        puts("Create msg queue error!\n") ;
        exit(0) ;
    }
 
    server(msgqid, msgqid) ;
    exit(0) ;
}
 
void server(int readfd, int writefd)
{
    FILE*    fp ;
    pid_t    clientPid ;
    mymsg_t* msgPtr ;
    ssize_t  recvBytes ;
    char*    pathStr ;    
 
    while(1)
    {
        //从消息队列中读取来自客户的请求文件路径
        msgPtr = malloc(DATA_SIZE + sizeof(long)) ;
        recvBytes = msgrcv(readfd, msgPtr, DATA_SIZE, 1, 0) ; //阻塞读
        if (recvBytes <= 0)
        {
            puts("pathname missing") ;
            continue ;
        }
        msgPtr->mdata[recvBytes] = '\0' ;
 
        //分析消息，提取客户PID，文件路径
        if ((pathStr = strchr(msgPtr->mdata, ' ')) == NULL)
        {
            puts("bogus request!") ;
            continue ;
        }
        *pathStr++ = 0 ;
        clientPid = atol(msgPtr->mdata) ;
 
        //读取文件内容 返回给客户
        msgPtr->mtype = clientPid ; //msgPtr既作为接收消息 又用作发送消息
        if ((fp = fopen(pathStr, "r")) == NULL)
        {
            //读取文件失败，返回给客户失败信息（在原消息内容后 添加错误信息）
            snprintf(msgPtr->mdata + recvBytes, sizeof(msgPtr->mdata) -recvBytes, 
                    ": can't open!") ;
 
            if (msgsnd(writefd, msgPtr, strlen(msgPtr->mdata), IPC_NOWAIT) == -1)
            {
                puts("Send Error!");
                exit(0);
            }
        }
        else
        {   //copy文件内容 发给客户
            while (fgets(msgPtr->mdata, DATA_SIZE, fp) != NULL)
            {
                msgsnd(writefd, msgPtr, strlen(msgPtr->mdata), IPC_NOWAIT) ; //非阻塞写
            }
        }
    }//while()
}