Linux进程间通信

进程间通信的目的

1、数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。

2、资源共享：多个进程之间共享同样的资源。

3、通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送信息，通知它们发生了某种事情。

4、进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程。此时控制进程能够拦截另一个进程的所有操作，并能够及时知道它的状态改变。

管道

管道是单向的、先进先出的、无结构的、固定大小的字节流。

创建管道：调用pipe函数在内核开辟一块缓冲区，称为管道，pipe函数调用成功返回1，失败返回0。

1、它有一个读端一个写端。

2、通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符：filedes[0]指向读端，filedes[1]指向写端。

3、向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

4、单个管道只能单向通信，一端用于读，而另一端用于写。如果要实现进程双向通信，必须创建一对管道。

管道的局限性：

     1、历史上，管道是半全双工，（即数据只能在一个方向上流动，只能是一端写，一端读）。

     2、只能在有公共祖先的进程之间使用（在父子进程或兄弟进程间使用）——普通管道。

     3、读数据的同时也将数据从管道移走，因此，管道不能用来对多个接受者广播数据。

     4、管道中的数据被当做字节流，因此无法识别信息的边界。

     5、如果一个管道有多个读进程，那么写进程不能发送数据到指定的读进程，同样，如果有多个写进程，那么没有办法判断是哪一个发送数据。

命名管道：可以在不相关的进程之间通信。

创建命名管道的系统函数有两个：mkfifo和mknod，调用成功返回0，失败返回-1，两个函数的原型如下：

通信：

     1、父进程调用pipe函数开辟管道，得到两个文件描述符分别指向管道的两端。

     2、父进程调用fork函数创建子进程，同样子进程也有两个文件描述符指向该管道的两端。

     3、父进程关闭读端，子进程关闭写端，父进程可以往管道里写，子进程可以从管道中读，管道是用环形队列实现的，数据从写端流入读端流出，这样就实现进程间通信。

Linux必须保证管道的写和读步调一致：linux使用锁、等待队列、和信号实现同步。

消息队列

消息队列提供从一个进程到另一个进程发送数据块的方法。

消息队列与管道的区别：

         1、消息队列是基于消息的，管道是基于字节流的。

         2、消息队列发送消息来避免管道的同步和阻塞问题。

         3、消息队列的读取不一定是先进先出。

         4、每个消息队列的最大长度有上限，给定消息总的字节数有上限，消息队列总消息数有上限。

内核为每个IPC对象维护一个数据结构，都包括ipc_perm数据结构。（消息队列、信号量、共享内存都有这个数据结构）。

struct ipc_perm

{

     __kernel_key_t key; //IPC对象的键值

     __kernel_uid_t uid; //进程实际用户ID

     __kernel_gid_t gid; //进程实际用户组ID

     __kernel_uid_t cuid; //创建者进程ID

     __kernel_gid_t cgid; //创建者进程组ID

     __kernel_mode_t mode; //访问模式

     unsigned short seq; //序号

};

消息队列就是一个消息的一个链表，允许一个或多个进程向它写消息，一个或多个进程从中读消息。

Linux提供消息队列的操作：

1、创建或获得消息队列：

函数原型：int sys_msgget (key_t key, int msgflg)；

参数：key：是一个键值，可以认为是一个端口号，也可以由函数ftok生成。

           msgflg：是一个标志。

           msgflg：

                    IPC_CREAT：如果IPC不存在，则创建一个IPC资源，否则打开操作。

                    IPC_EXCL：  IPC_CREAT和IPC_EXCL可以保证所得对象是新建的，而不是打开的已有对象。

工作过程如下：

1) 如果key == IPC_PRIVATE，则申请一块内存，创建一个新的消息队列（ 数据结构msqid_ds），将其初始化后加入到msgque向量表中的某个空位置处，返回标识符。

2) 在msgque向量表中找键值为key的 消息队列，如果没有找到，结果有二：

a、 msgflg表示不创建新的队列，则错误返回。

b、 msgflg表示要创建新的队列，则创建新 消息队列，创建过程如1）。

3) 如果在msgque向量表中找到了键值为key的 消息队列，则有以下情况：

a、如果msgflg表示一定要创建新的 消息队列而且不允许有相同键值的队列存在，则错误返回。

b、如果找到的队列是不能用的或已损坏的队列，则错误返回。

c、认证和存取权限检查，如果该队列不允许msgflg要求的存取，则错误返回。

d、正常，返回队列的 标识符。

2、向队列读/写消息

函数原型：

msgsnd：

该函数做如下工作：

1) 该 消息队列在向量msgque中的索引是id = (unsigned int) msqid % MSGMNI，认证检查（权限、模式），合法性检查（类型、大小等）。

2) 如果 队列已满，以可中断等待状态（TASK_INTERRUPTIBLE）将当前进程挂起在wwait 等待队列上。

3) 申请一块空间，大小为一个消息 数据结构加上消息大小，在其上创建一个消息数据结构struct msg，将消息缓冲区中的消息内容拷贝到该内存块中消息头的后面（从 用户空间拷贝到 内核空间）。

4) 将消息数据结构加入到 消息队列的队尾，修改队列的相应参数（大小等）。

5) 唤醒在该 消息队列的rwait进程队列上等待读的进程。

6) 返回。

msgrcv：

该函数做如下工作：

1) 该消息队列在向量msgque中的索引是id = (unsigned int) msqid % MSGMNI，认证检查（权限、模式），合法性检查。

2)根据msgtyp和msgflg搜索 消息队列，情况有二：

3)如果找不到所要的消息，则以可中断等待状态（TASK_INTERRUPTIBLE）将当前进程挂起在rwait等待队列上。

4)如果找到所要的消息，则将消息从 队列中摘下，调整队列参数，唤醒该 消息队列的wwait进程队列上等待写的进程，将消息内容拷贝到 用户空间的消息缓冲区msgp中，释放内核中该消息所占用的空间，返回。

信号量

信号量的本质是一种数据操作锁，它本身不具有数据交换的功能，而是通过控制其他的通信资源来实现进程间通信，它本身只是一种外部资源的标识。信号量在此过程中负责数据操作的互斥、同步等功能。
使用信号量的原因：为了防止出现多个程序同时访问一个共享资源引发的一系列问题。任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。
信号量只能进行两种操作等待和发送信号即P（sv）和V（sv）。

共享内存

通常由一个进程创建。其他进程对这个内存进行读写，得到共享内存通常是通过内存映射。

linux本身无法对其同步，需要程序自己来对共享内存做出同步计算，何种同步很多时候就是用信号量实现的。

效率比较