进程间通信

合集 - 操作系统(5)

1.内存管理2023-08-092.文件操作2023-08-093.信号管理2023-08-104.进程的基本概念2023-08-11

5.进程间通信2023-08-14

收起

一、基本概念

什么是进程间通信：
是指两个或多个进程之间需要协同工作、交互数据的过程，因为进程之间是相互独立工作的，为了协同工作就需要进行通信来交互数据
进程间通信的分类：
简单的进程间通信：
信号(携带附加信息)、文件、环境变量、命令行参数等
传统的进程间通信：
管道文件(有名管道、匿名管道)
XSI的进程间通信：
共享内存、消息队列、信号量
网络的进程间通信：
socket套接字

二、传统的进程间通信技术-管道

管道是UNIX系统中最古老的进程间通信方式，古老就意味着所有的系统都支持，早期的管道是半双工，现在有些系统的管道是全双工(假定以半双工来编写代码)
管道是一种特殊的文件，它的数据在管道文件中是流动的，读取后就会自动消失，如果文件中没有数据要读取会阻塞等待
有名管道：
基于有文件名的管道文件的进程间通信，可以是任何进程之间的通信
编程模型：
进程A 进程B
创建管道 ...
打开管道 打开管道
写数据 读数据
关闭管道 关闭管道
删除管道 ...
创建有名管道文件
命令： mkfifo filename
函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
功能：创建有名管道文件
pathname：文件的路径
mode：文件的权限掩码
匿名管道：没有名字的管道文件
只适合通过fork创建的有血缘关系的进程间通信(父子进程、兄弟进程之间)
int pipe(int pipefd[2]);
功能：创建并打开一个匿名管道文件
pipefd:输出型参数 返回该匿名管道文件的读权限fd和写权限fd
pipefd[0] 用于读管道文件
pipefd[1] 用于写管道文件
编程模型：
父进程 子进程
获取一对fd ...
创建子进程 共享一对fd
关闭读fd[0] 关闭写fd[1]
fd[1]写数据 fd[0]读数据
关闭fd[1] 关闭fd[0]

三、XSI进程间通信

XSI是X/open 公司制定的用于进程间通信的系统(S)接口(I)标准
XSI进程间通信标准都需要借助系统内核完成，需要创建内核对象，内核对象以整数形式返回给用户，相当于文件描述符\文件指针，代表了某个内核对象完成某次进程间通信任务，也叫做IPC标识符
类似文件的创建需要借助文件名一样，IPC标识符的创建也需要借助IPC键值(整数)，也跟文件名一样，要确保IPC键值是独一无二的
一般是通过函数生成一个独一无二的IPC键值
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
功能：生成一个独一无二的IPC键值
pathname：项目路径
proj_id：项目编号
返回值：根据项目路径+项目编号自动计算出IPC键值
注意：计算IPC键值的方式不是根据pathname的字符串内容，而是依靠路径的位置，如果提供了假的路径，不管编号如何，都会得到相同的IPC键值，不正确

共享内存：

基本特点：
两个或多个进程共享同一块由内核负责维护的物理内存，该物理内存是需要与进程的虚拟内存进行映射后使用
优点：不需要进行磁盘读写操作，无需复制操作，是最快的一种IPC机制
缺点：需要考虑通信的同步问题，一般采用信号解决
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：创建\获取共享内存
key:IPC键值
size:共享内存的大小，当是获取时此参数无意义写0即可
shmflg：
IPC_CREAT 创建共享内存，已存在时会直接获取
IPC_EXCL 配合CREAT，如果已存在则返回错误
获取时直接给0即可
注意：如果是创建IPC_CREAT，需要在后面额外按位或这段共享内存的读写权限IPC_CREAT|0644
返回值：成功返回该共享内存的IPC标识符，失败返回-1
void *shmat(int shmid, const void shmaddr, int shmflg);
功能：虚拟内存与物理共享内存映射
shmid：IPC标识符
shmaddr：想要映射的虚拟内存首地址，一般给NULL就会自动安排
shmflg：
SHM_RND 只有当shmaddr不是NULL时才有效，当映射的字节数不足一页的整数倍时，会向下取整数倍的页数来映射
SHM_RDONLY 以只读方式映射共享内存
如不需要以上操作，一般给0即可
返回值：成功返回映射的虚拟内存的首地址，失败返回(void)-1
int shmdt(const void *shmaddr);
功能：取消映射
shmaddr：映射过的虚拟内存首地址
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
功能：删除/控制共享内存
shmid：IPC标识符
cmd:
IPC_STAT 获取共享内存属性信息 buf输出型参数
IPC_SET 修改共享内存的属性 buf输入型参数
IPC_RMID 删除共享内存 buf给NULL即可

    编程模型：
        进程A                       进程B
     创建共享内存                获取共享内存
     映射共享内存                映射共享内存
     写数据到内存并通知         接到通知就读内存数据
     接到通知就读内存数据       写数据到内存并通知
     取消映射                      取消映射
     删除共享内存

消息队列：

基本特点：是一个由内核维护管理的数据链表，通过消息类型来匹配正确后收发数据

    int msgget(key_t key, int msgflg);
    功能：创建\获取消息队列
    key：IPC键值
    msgflg：
        IPC_CREAT   创建消息队列，已存在时会直接获取
        IPC_EXCL    配合CREAT，如果已存在则返回错误
        获取时直接给0即可
        注意：如果是创建IPC_CREAT，需要在后面额外按位或这段消息队列的读写权限IPC_CREAT|0644
    返回值：成功返回该消息队列的IPC标识符，失败返回-1

    int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
    功能：向消息队列发送消息包
    msqid：IPC标识符
    msgp：要发送的消息包的首地址
        struct msgbuf {
           long mtype;  //第一个成员必须是long类型的消息类型
           char mtext[1];   //根据需要存储数据
       };// 该结构由程序员自己设计
    msgsz：只需要数据的字节数，不包括消息类型
    msgflg：
        阻塞一般写0
        IPC_NOWAIT  当消息队列满时，不等待立即返回
    返回值：成功0 失败-1

    ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
    功能：从消息队列中接收读取数据
    msqid：IPC标识符
    msgp：消息包内存首地址
    msgsz：数据内存的字节数大小，不包括消息类型，因为不确定对方发送的字节数，因此建议给大一点
    msgtyp：要接收的消息类型
        >0  读取消息类型等于msgtyp的消息
        =0  读取消息队列中的第一条消息
        <0  读取消息队列中的消息类型小于等于abs(msgtyp)的消息如果同时有多个，则读取最小的那一个
    msgflg：
        阻塞等待一般给0即可
        IPC_NOWAIT  如果当时消息类型没有匹配，则不阻塞立即返回
    返回值：成功返回读取到的数据字节数，失败-1

    int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
    功能：删除/控制消息队列
    msqid：IPC标识符
    cmd:
        IPC_STAT    获取消息队列属性信息  buf输出型参数 
        IPC_SET     修改消息队列的属性 buf输入型参数
        IPC_RMID    删除消息队列  buf给NULL即可
    编程模型：
        进程A                   进程B
      创建消息队列            获取消息队列
      发送消息msg-a           接收msg-a消息
      接收msg-b消息           发送消息msg-b
      删除消息队列

信号量：

基本特点：由内核维护的一个"全局变量"，用于记录进程之间共享资源的数量，限制进程对共享资源的访问
信号量更像是一种数据操作锁，本身是不具备数据交换功能，而是通过控制其他的通信资源(共享内存、消息队列、文件等)来实现进程间通信的协调
1、如果信号量的值>0，说明又可以使用的资源，使用时需要将信号量-1，然后再使用
2、如果信号量的值等于0，说明没有资源可以使用，此时进程会进入休眠，直到信号量的值大于0，进程就会被唤醒，执行步骤1
3、当资源使用完毕后，需要将信号量+1，正在休眠的进程就可以被唤醒执行步骤1
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：创建\获取信号量的IPC标识符
key:IPC键值
nsems:信号量的数量
semflg：
IPC_CREAT 创建信号量，已存在时会直接获取
IPC_EXCL 配合CREAT，如果已存在则返回错误
获取时直接给0即可
注意：如果是创建IPC_CREAT，需要在后面额外按位或这段信号量的读写权限IPC_CREAT|0644
返回值：成功返回该信号量的IPC标识符，失败返回-1

    int semop(int semid, struct sembuf *sops,size_t nsops);
    功能：对某个或某些信号量进行加减操作
    semid：IPC标识符
    sops：
        struct sembuf{
        unsigned short sem_num;  // 信号量的下标
        short          sem_op;   // 
                1   信号量+1
                -1  信号量尝试-1，如果为0则休眠阻塞
                0   等待信号量的值为0，否则阻塞休眠

        short          sem_flg; 
                0           阻塞 
                IPC_NOWAIT  不阻塞
                SEM_UNDO  如果进程终止了没有手动还原信号量+1，系统会自动还原+1  
        };
    nsops：表示sops指针指向多少个连续的结构体，意味着要加减多少个信号量，一般每次只操作一个时写1即可

    int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
    功能：删除\控制信号量
    semid:IPC标识符
    semnum：第几个信号量 下标从0开始
    cmd:
        IPC_STAT   获取信号量属性
        IPC_SET    设置信号量属性
        IPC_RMID   删除信号量
        GETALL      获取所有信号量的值
        GETNCNT     获取正在等待减信号量的进程数
        GETVAL     通过返回值获取下标为semnum信号量的值
        GETZCNT    获取正在等待信号量的值为0的进程数
        SETVAL      设置下标为semnum信号量的值
        SETALL      设置所有信号量的值
    ...:
    union semun {
           int              val;    // 用于设置信号量的值
           struct semid_ds *buf;// 用于获取\设置信号量的属性
           unsigned short  *array;  //用于批量设置\获取信号量的值
       };

    使用流程：
        1、创建信号量
        2、设置信号量管理的资源数
        3、减\加信号量
        4、删除信号量