day06

合集 - 操作系统(6)

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6.day062023-08-23

收起

进程间通信：

    一、基本概念：

        什么是进程间通信：

            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:                                   **（背）**

            简单的进程间通信：

                信号(携带附加信息)、文件、环境变量表、命令行参数

            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          ...

                1、创建有名管道文件的方式：

                    命令：mkfifo filename

                    函数：mkfifo

                        int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

                        功能:创建有民法管道文件

                        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两个文件描述符

                    pipefd[0]   读

                    pipefd[1]   写

            *编程模型:

                    父进程          子进程

                  获取一对fd          ...

                  创建子进程       共享父进程fd

                   关闭读fd         关闭写fd

                  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

    X/open  公司指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来返回给用户，相当于文件描述符、文件指针，代表了某个内核对象来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+项目编号会自动计算出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：

            不需要进行磁盘的读写操作，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，一般采用信号来解决

       

        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，参数无意义，写0即可

            shmflg:

                IPC_CREAT   创建、获取共享内存，已存在时会直接获取

                IPC_EXCL    配合IPC_CREAT,如果已存在则返回错误

                0           只获取

                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

        返回值：创建成功返回该共享内存的IPC标识符，失败-1

        void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

        功能：虚拟内存与物理内存共享内存映射

            shmid：IPC标识符

            shmaddr：想要映射的虚拟内存首地址，一般给NULL自动映射

            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  以只读方式映射内存

                如果不需要以上操作，一般给0即可

        返回值：成功返回映射后虚拟内存的首地址，失败返回0xffff ffff || (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

        返回值：成功返回0，失败返回-1

        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    获取共享内存的属性信息      buf输出型参数

                IPC_SET     设置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

           接到通知就读取内存       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、获取消息队列，已存在时会直接获取

                IPC_EXCL    配合IPC_CREAT,如果已存在则返回错误

                0           只获取

                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

        返回值：创建成功返回该消息队列的IPC标识符，失败-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：

                struct msgbuf {

                   long mtype;       /* 必须是long类型的消息类型 */

                   char mtext[1];    /* 根据使用需要来存储数据 */

               };  

            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：从消息队列中接受读取数据

            msqid：PID标识符

            msgp：存储数据部分内存首地址

            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，建议给大一点

            msgtyp：要接收的数据类型

                >0  读取消息类型=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

                    如果同时有多个读取最小的

            msgflg：

                IPC_NOWAIT  如果当时消息类型没有匹配，则不阻塞立即返回

                阻塞等待一般给0即可

        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    获取共享内存的属性信息      buf输出型参数

                IPC_SET     设置修改共享内存的属性      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"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···)来实现进程间的通信协调

    1、如果信号量的值>0，说明有可以使用的资源，使用时需要将信号量的值-1，然后再使用

    2、如果信号量的值=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>0，进程就会被唤醒，执行步骤1

    3、当资源使用完毕后，需要先将信号量+1，正在休眠的进程就会被唤醒执行步骤1

    int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

    功能：创建、获取信号量

        key：IPC键值

        nsems：信号量的数量

        semflg

                IPC_CREAT   创建、获取消息队列，已存在时会直接获取

                IPC_EXCL    配合IPC_CREAT,如果已存在则返回错误

                0           只获取

                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

        返回值：创建成功返回该信号量的IPC标识符，失败-1

        int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

        功能:对信号量进行加减操作

            semid：IPC标识符

            sops:

                struct sembuf, containing the following members:

                    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;  /* operation flags */

                        0           阻塞

                        IPC_NOWAIT  不阻塞

                        SEM_UNDO    如果进程终止，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，一般一次只操作一个时写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      获取所有的信号量的值

                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