〖Linux〗Linux高级编程 - 进程间通信(Interprocess Communication)

[转自: http://blog.csdn.net/Paradise_for_why/article/details/5550619]

这一章就是著名的IPC,这个东西实际的作用和它的名字一样普及。例如我们浏览网页,打印文章,等等。

    IPC总共有五种类型:

  1. 共享内存(Shared Memory):最容易理解的一种,就像一个特工把情报放在特定地点(内存),另一个特工再过来取走一样。

  2. 内存映射(Mapped Memory):和共享内存几乎相同,除了特工们把地点从内存改成了文件系统。

  3. 管道(Pipes):从一个进程到另一个进程的有序通信,用电话来比喻再恰当不过了。

  4. FIFOs:和管道和类似,唯一的区别是FIFOs比管道更神通一些,允许没有关系的进程之间的有序通信。

  5. 套接字(Sockets):为什么说浏览网页也是IPC?就是因为它。 

5.1 共享内存(Shared Memory)

  • 共享内存是最快捷的进程间通信方式。访问共享内存的效率和访问进程自己的非共享内存的效率是相同的,而且这种通信方式不需要任何额外的系统调用。
  • 系统不会自动为共享内存处理同步问题,这个问题必须由用户自己解决。
  • 共享内存的步骤通常是:
    • 一个进程申请一块共享内存,即在它的页表中加入新的一项
    • 所有进程Attach该共享内存,即从申请内存的进程中拷贝对应的页表
    • 使用该内存进行通讯
    • 结束后所有进程detach该共享内存
    • 申请共享内存的进程在确定所有进程都detach后,释放该内存
  • 由于共享内存是通过页表来实现的,我们可以得出一个结论:共享内存的大小是页面大小的整数倍,页面的大小可以通过getpagesize()来得到,通常在Linux下该值是4KB
  • 相关的API函数:
    • 申请共享内存:shmget,返回共享内存segment的id
    • Attach,Detach函数:shmat,shmdt。需要共享内存segment的id
    • 释放申请的内存:shmctl。一定要记得释放!调用exit和exec会自动detach,但不会自动释放。
  • 使用 ipcs -m来观看当前系统存在的共享内存

  例子:原程序链接,依据这个例子进行简单修改一下

 

  1 /*
  2  * =============================================================================
  3  *
  4  *       Filename:  sharememory_read.c
  5  *
  6  *    Description:  
  7  *
  8  *        Version:  1.0
  9  *        Created:  2014年11月04日 19时52分28秒
 10  *       Revision:  none
 11  *       Compiler:  gcc
 12  *
 13  *         Author:  lwq (28120), scue@vip.qq.com
 14  *   Organization:  
 15  *
 16  * =============================================================================
 17  */
 18 #include <stdlib.h>
 19 
 20 /**********************************************************
 21 *实验要求:   创建两个进程,通过共享内存进行通讯。
 22 *功能描述:   本程序申请和分配共享内存,然后轮训并读取共享中的数据,直至
 23 *           读到“end”。
 24 *日    期:   2010-9-17
 25 *作    者:   国嵌
 26 **********************************************************/
 27 #include <unistd.h>
 28 #include <stdlib.h>
 29 #include <stdio.h>
 30 #include <string.h>
 31 #include <sys/types.h>
 32 #include <sys/ipc.h>
 33 #include <sys/shm.h>
 34 #include <getopt.h>
 35 #include "sharememory.h"
 36 
 37 void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
 38 void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
 39 void del_shm();
 40 
 41 void usage(){
 42     fprintf(stderr, "\nusage: %s -r|-w\n\n"
 43             "-r read mode\n"
 44             "-w write mode\n"
 45             "\n", "shared_memory");
 46     exit(1);
 47 }
 48 
 49 #define READ (1)
 50 #define WRITE (2)
 51 #define OPTNONE (0)
 52 
 53 // 全局变量
 54 void *shared_memory=(void *)0;
 55 
 56 /*
 57  * 程序入口
 58  * */
 59 int main(int argc, char **argv)
 60 {
 61     int running=RUNNING;
 62     struct shared_use_st *shared_stuff;
 63     int shmid;
 64     int operation=OPTNONE;                      /* 读/写操作 */
 65 
 66     /*-----------------------------------------------------------------------------
 67      *  getopt start
 68      *----------------------------------------------------------------------------*/
 69     int choice;
 70     while (1)
 71     {
 72         static struct option long_options[] =
 73         {
 74             /* Use flags like so:
 75             {"verbose",    no_argument,    &verbose_flag, 'V'}*/
 76             /* Argument styles: no_argument, required_argument, optional_argument */
 77             {"version", no_argument,    0,    'v'},
 78             {"help",    no_argument,    0,    'h'},
 79             {"read",    no_argument,    0,  'r'},
 80             {"write",   no_argument,    0,  'w'},
 81             {0,0,0,0}
 82         };
 83     
 84         int option_index = 0;
 85     
 86         /* Argument parameters:
 87             no_argument: " "
 88             required_argument: ":"
 89             optional_argument: "::" */
 90     
 91         choice = getopt_long( argc, argv, "vhrw",
 92                     long_options, &option_index);
 93     
 94         if (choice == -1)
 95             break;
 96     
 97         switch( choice )
 98         {
 99             case 'v':
100                 
101                 break;
102     
103             case 'h':
104                 usage();
105                 break;
106 
107             case 'r':
108                 operation=READ;
109                 break;
110 
111             case 'w':
112                 operation=WRITE;
113                 break;
114     
115             case '?':
116                 /* getopt_long will have already printed an error */
117                 usage();
118                 break;
119     
120             default:
121                 /* Not sure how to get here... */
122                 return EXIT_FAILURE;
123         }
124     }
125     if (operation == OPTNONE) {
126         usage();
127     }
128     /*-----------------------------------------------------------------------------
129      *  getopt end
130      *----------------------------------------------------------------------------*/
131 
132     /*创建共享内存*/
133     shmid=shmget((key_t)1234,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT);
134     if(shmid==-1) {
135         fprintf(stderr,"shmget failed\n");
136         exit(EXIT_FAILURE);
137     }
138 
139     /*映射共享内存*/
140     shared_memory=shmat(shmid,(void *)0,0);
141     if(shared_memory==(void *)-1) {
142         fprintf(stderr,"shmat failed\n");
143         exit(EXIT_FAILURE);
144     }
145 
146     printf("Memory attached at 0%08x\n",(int)((intptr_t)shared_memory));
147 
148     /*让结构体指针指向这块共享内存*/
149     shared_stuff=(struct shared_use_st *)shared_memory;
150 
151     /*控制读写顺序*/
152     // lwq: 使之能读取上一条消息
153     if (operation == READ && shared_stuff->written_by_you != HADWROTE)
154         shared_stuff->written_by_you=HADREAD;
155 
156     switch(operation) {
157         case READ:
158             read_shm(shared_stuff);
159             break;
160     
161         case WRITE:
162             write_shm(shared_stuff);
163             break;
164 
165         default:
166             usage();
167             break;
168     }
169 
170     del_shm();
171     exit(EXIT_SUCCESS);
172 }
173 
174 // 读取共享内存
175 void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
176     while(1) {
177        if(shared_stuff->written_by_you == HADWROTE) {
178            printf("You wrote:%s",shared_stuff->some_text);
179            shared_stuff->written_by_you=HADREAD;
180            if(strncmp(shared_stuff->some_text,"end",3)==0) {
181                break;
182            }
183        }
184        else {
185            usleep(100000);
186        }
187     }
188 }
189 
190 // 写入共享内存
191 void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
192     char buffer[BUFSIZ] = {0};
193     while(1) {
194         while(shared_stuff->written_by_you!=HADREAD); /* 等待读写完成 */
195         printf("Enter some text:");
196         fgets(buffer,BUFSIZ,stdin);
197         strncpy(shared_stuff->some_text,buffer,TEXT_SZ); /* 复制进去 */
198         shared_stuff->written_by_you=HADWROTE;
199         if(strncmp(buffer,"end",3)==0) {
200             break;
201         }
202     }
203 }
204 
205 // 删除共享内存
206 void del_shm(){
207     /*删除共享内存*/
208     if(shmdt(shared_memory)==-1) {
209         fprintf(stderr,"\nshmdt failed\n");
210         exit(EXIT_FAILURE);
211     }
212     else {
213         fprintf(stderr, "\ndelete shared_memory: 0x%08x\n", (int)((intptr_t)shared_memory));
214     }
215 }
sharememory.c

 

  编译:gcc sharememory.c -o sharememory

  执行:

    1. 以读取模式打开程序(进程1): ./sharememory -r

    2. 以写入模式打开程序(进程2): ./sharememory -w

  更新介绍:http://www.cs.cf.ac.uk/Dave/C/node27.html 

5.2 进程信号量

  • 信号量(Semaphore)的概念前面已经介绍过了。Linux对用来同步进程的信号量采取了一种特别的实现方式。这些信号量也就被称为进程信号量(Process Semaphore)。(这一节下面所提到的所有信号量默认都是指进程信号量)
  • 相关的API函数:
    • 申请:semget
    • 释放:semctl。需要注意的是信号量不会被自动释放,我们必须显式释放它。
    • Wait和Post:semop
  • 使用ipcs -s来观看当前系统存在的信号量

  例子:原程序链接

  1 /*
  2  * =============================================================================
  3  *
  4  *       Filename:  semaphore_simple.c
  5  *
  6  *    Description:  
  7  *
  8  *        Version:  1.0
  9  *        Created:  2014年11月04日 21时21分25秒
 10  *       Revision:  none
 11  *       Compiler:  gcc
 12  *
 13  *         Author:  lwq (28120), scue@vip.qq.com
 14  *   Organization:  
 15  *
 16  * =============================================================================
 17  */
 18 #include <stdlib.h>
 19 
 20 #include <unistd.h>
 21 #include <sys/types.h>
 22 #include <sys/stat.h>
 23 #include <fcntl.h>
 24 #include <stdlib.h>
 25 #include <stdio.h>
 26 #include <string.h>
 27 #include <sys/sem.h>
 28 
 29 union semun
 30 {
 31     int val;
 32     struct semid_ds *buf;
 33     unsigned short *arry;
 34 };
 35 
 36 static int sem_id = 0;
 37 
 38 static int set_semvalue();
 39 static void del_semvalue();
 40 static int semaphore_p();
 41 static int semaphore_v();
 42 
 43 int main(int argc, char *argv[])
 44 {
 45     char msg[1024] = {0};
 46     int i = 0;
 47     int mypid=getpid();
 48 
 49     //创建信号量
 50     sem_id = semget((key_t)12345, 1, 0666 | IPC_CREAT);
 51 
 52     if(argc > 1)
 53     {
 54         //程序第一次被调用,初始化信号量
 55         if(!set_semvalue()) {
 56             fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
 57             exit(EXIT_FAILURE);
 58         }
 59     }
 60     for(i = 0; i < 10; ++i) {
 61         //进入临界区
 62         if(!semaphore_p())
 63             exit(EXIT_FAILURE);
 64         //向屏幕中输出数据
 65         snprintf(msg, sizeof(msg)-1, "%s, index: %03d, pid: %05d", argv[1], i, mypid);
 66         printf("%s\n", msg);
 67         fflush(stdout);
 68         usleep(100000);
 69         //离开临界区,休眠随机时间后继续循环
 70         if(!semaphore_v())
 71             exit(EXIT_FAILURE);
 72     }
 73 
 74     if(argc > 1)
 75     {
 76         //如果程序是第一次被调用,则在退出前删除信号量
 77         sleep(3);
 78         del_semvalue();
 79     }
 80     exit(EXIT_SUCCESS);
 81 }
 82 
 83 static int set_semvalue()
 84 {
 85     //用于初始化信号量,在使用信号量前必须这样做
 86     union semun sem_union;
 87 
 88     sem_union.val = 1;
 89     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
 90         return 0;
 91     return 1;
 92 }
 93 
 94 static void del_semvalue()
 95 {
 96     //删除信号量
 97     union semun sem_union;
 98 
 99     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
100         fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
101 }
102 
103 static int semaphore_p()
104 {
105     //对信号量做减1操作,即等待P(sv)
106     struct sembuf sem_b;
107     sem_b.sem_num = 0;
108     sem_b.sem_op = -1;//P()
109     sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
110     if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
111     {
112         fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
113         return 0;
114     }
115     return 1;
116 }
117 
118 static int semaphore_v()
119 {
120     //这是一个释放操作,它使信号量变为可用,即发送信号V(sv)
121     struct sembuf sem_b;
122     sem_b.sem_num = 0;
123     sem_b.sem_op = 1;//V()
124     sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
125     if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
126     {
127         fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");
128         return 0;
129     }
130     return 1;
131 }
semaphore_simple.c

  编译:gcc semaphore_simple.c -o semaphore_simple

  执行:./semaphore_simple XXX &; ./semaphore_simple YYY

5.3 内存映射

  • 内存映射使得不同的进程可以通过一个共享文件来互相通信。
  • 相关的API函数:
    • 映射:mmap
    • 同步:msync。用来指定对文件的修改是否被buffer。
    • 释放:munmap。在程序结束的时候会自动unmap
  • mmap的其他用法:
    • 可以替代read和write,有时使用内存映射后的效率比单纯使用I/O操作来的更快
    • 在内存映射文件中构建structure,修改structure再次将文件映射到内存中可以快速的将structure恢复到原来的状态
    • 把/dev/zero文件映射到内存中。该文件可以提供无限的0,并且写到该文件的所有内容将被直接丢弃

5.4 管道(Pipes)

  • 管道是单向的,即一个线程写,另一个线程读,无法互换
  • 如果写的速度太快,造成管道满了,那么写的线程就会被block;如果读的速度太快,造成管道空了,那么读的进程就会被block。因此事实上我们可以说管道自动实现了同步机制
  • 我们可以通过调用pipe函数来生成一对pipe file description。(为什么是一对?因为一个读一个写)。可是,生成的pipe file description无法传送给不相关的进程(因为做为file descriptor即使它拿到了也没法用)。但是我们注意到fork之后父进程所有的file descriptor在子进程中依然有效,因此管道最大的作用是在父子进程之间通信。或者更确切的说,是在有共同祖先的进程之间通信。
  • 典型的创建管道的流程如下:
    • 用pipe生成2个pipe file description(简称fds)。然后调用fork
    • 在父进程关闭fds[0](或fds[1]),并以只读(或只写)方式打开fds[1](或fds[0])。在子进程中关闭fds[1](或fds[0]),并以只写(或只读)方式打开fds[0](或fds[1])。打开的函数是fdopen。
    • 开始通信。结束后用close函数关闭剩下的fds。
  • 这里有一个技巧:可以利用管道来达成重定向stdin, stdout和stderr。注意到dup2这个API可以把一个file descriptor复制到另一个上。
  • 事实上,我们有一对更为简洁的函数popen/pclose来完成上面的一系列复杂的操作。popen有两个参数:
    • 第一个参数接受一个exec,子进程将执行这个exec
    • 第二个参数为”w”或者”r”,”w”表示父进程写子进程读,”r”则反之
    • 返回值为管道的一端,也就是一个file descriptor
    • pclose用来关闭popen返回的file descriptor
  • FIFO(First In First Out)文件事实上是一个有名字的管道,换句话说,他可以用来让“不相干”的程序互相通信。
    • 我们使用mkfifo函数来创建一个FIFO文件
    • 我们可以使用任何的低级I/O函数(open, write, read, close等)以及C库I/O函数(fopen, fprintf, fscanf, fclose等)来操作FIFO文件。
  • Linux的管道和Windows下的命名管道(Named Pipes)的区别
    • Windows的命名管道更像一个套接字(sockets),它可以通过网络让不同主机上的程序进行通信
    • Linux的管道允许有多个reader和writer,每个reader和writer进行读/写的最大容量为 PIPE_BUF(4KB),如果有多个writer同时写,他们写的东西会被分为一个一个的chunk(每个4KB)并允许交错写。(例如进程A有两个 chunk,A1,A2。进程B也有两个chunk,B1,B2。A和B同时写,则顺序可能为A1,B1,A2,B2) Windows的管道允许在同一个管道上有多个reader/writer对,他们之间读写的数据没有交叉。

5.5 套接字(Sockets)

  • 套接字的特点:
    • 它是双向通信的
    • 它是进程间通信的,包括其他机器上的进程
  • 套接字有三个参数:
    • 通讯类型(communication style)
      • 连接(connection)类型:保证所有的包按发送的顺序到达接受方。(类似于电话)如果包丢失或者抵达顺序错误,会自动重发。
      • datagram类型:所有包单独发送,可能会出现丢失或者晚发早到的现象。(类似于邮寄)
    • 命名空间(namespace):描述套接字的地址是如何表示的,例如本地就是文件名,internet上就是ip地址。
    • 协议(protocol):通讯协议,常用的有TCI/IP,AppleTalk等。
  • 相关的API(套接字也是通过file descriptor来表示的):
    • socket:创建一个socket
    • closes:销毁一个socket
    • connect:在两个socket之间创建一个连接。这个API通常由客户端调用。
    • bind:给服务器的一个套接字绑定一个地址,服务器端调用。
    • listen:让一个套接字开始侦听,准备接受请求,服务器端调用。
    • accept:接受一个连接请求,并且为该连接创建一个新的套接字,服务器端调用。
  • 服务器端的生命流程:
    • 创建一个connection类型的socket
    • 给该socket绑定一个地址
    • 调用listen来enable该socket(listen可以指定最多有多少个请求在等待队列中,如果等待队列满了,又有新的请求到达的时候,则该请求被拒绝)
    • 对于收到的连接请求调用accept来接受
    • 关闭socket
  • 本地socket(local socket)
    • 如果是同一台电脑上的两个进程需要通信的话,可以使用本地socket。这种情况下socket的地址是文件路径。注意进程必须对该路径拥有可写权限,否则无法建立连接
    • 完成之后使用unlink来关闭一个socket
posted @ 2014-11-04 22:48  scue  阅读(418)  评论(0编辑  收藏  举报