【嵌入式学习历程14】Linux进程间通信(1)

一个大型的应用系统，往往需要众多进程协作，进程间通信的重要性显而易见。

进程间通信的目的
*数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，发送的数据量在一个字节到几M字节之间
*共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。
*通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
*资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了作到这一点，需要内核提供锁和同步机制。
*进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

Linux进程间通信主要方式
Linux的进程间通信（IPC）方法有：管道（Pipe）和有名管道（FIFO）、消息队列、信号量(Semaphore)、共享内存(Shared Memory)、套接字(Socket)等。

一、管道（pipe）
管道，通常指无名管道，可用于具有亲缘关系进程间的通信。
1、特点：
1) 它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。需要双方通信时，需要建立起两个管道。
2) 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
3) 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在于内存中。
4) 数据的读出和写入：一个进程在管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

2、原型：

#include <unistd.h>int pipe(int fd[2]);    // 返回值：若成功返回0，失败返回-1

当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图：

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

管道用于不同进程间的通信。通常先创建一个管道，再通过fork函数创建一个子进程，该子进程会继承父进程所创建的管道。注意：必须在系统调用fork()前调用pipe()，否则子进程将不会继承文件描述符。

3、读写无名管道
*从管道中读取数据：
1）如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0。
2）当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数；如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量），或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。

*向管道中写数据：
向管道中写入数据时，Linux不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。
注意：只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将会收到内核传来的SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作是应用程序终止）。

二、有名管道（FIFO）
有名管道（也叫FIFO，因为管道工作在先入先出的原则下，第一个写入管道的数据也是第一个被读出的数据）。与管道不同，FIFO不是临时的对象，它们是文件系统中真正的实体，可以用mkfifo命令创建。只要有合适的访问权限，进程就可以使用FIFO。FIFO的打开方式和管道稍微不同。一个管道（它的两个file数据结构、VFS I节点和共享数据页）是一次性创建的，而FIFO已经存在，可以由它的用户打开和关闭。Linux必须处理在写进程打开FIFO之前读进程对它的打开，也必须处理在写进程写数据之前读进程对管道的读。除此以外，FIFO几乎和管道的处理完全一样，而且它们使用一样的数据结构和操作
1、特点：
1）FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
2）FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。
2、原型：

1 #include <sys/stat.h>2 // 返回值：成功返回0，出错返回-13 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

其中的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件I/O函数操作它。
当 open 一个FIFO时，是否设置非阻塞标志（O_NONBLOCK）的区别：

若没有指定O_NONBLOCK（默认），只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。

若指定了O_NONBLOCK，则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO，其errno置ENXIO。

3、读写有名管道
**从FIFO中读取数据：
约定：如果一个进程为了从FIFO中读取数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的读操作为设置了阻塞标志的读操作。
1.）如果有进程写打开FIFO，且当前FIFO内没有数据，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞。对于没有设置阻塞标志的读操作来说则返回-1，当前errno值为EAGAIN，提醒以后再试。
2.）对于设置了阻塞标志的读操作来说，造成阻塞的原因有两种：一种是当前FIFO内有数据，但有其它进程再读这些数据；另一种是FIFO内没有数据，阻塞原因是FIFO中有新的数据写入，而不论新写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量。
3.）读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用，如果本进程内有多个读操作序列，则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后，其他将要执行的读操作将不再阻塞，即使在执行读操作时，FIFO中没有数据也一样（此时，读操作返回0）
4.）如果没有进程写打开FIFO，则设置了阻塞标志的读操作会阻塞
5.）如果FIFO中有数据，则设置了阻塞标志的读操作不会因为FIFO中的字节数小于请求读的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

**向FIFO中写入数据
约定：如果一个进程为了向FIFO中写入数据而阻塞打开FIFO，那么称该进程内的写操作为设置了阻塞标志的写操作。
*对于设置了阻塞标志的写操作：
1.）当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性。如果此时管道空闲缓冲区不足以容纳要写入的字节数，则进入睡眠，知道当缓冲区中能够容纳要写入的字节数时，才开始进行一次性写操作
2.）当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。FIFO缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据，写操作在写完所有请求写的数据后返回。
*对于没有设置阻塞标志的写操作：
1.）当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。再写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。
2.）当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性。如果当前FIFO空闲缓冲区能够容纳请求写入的字节数，写完后成功返回；如果当前FIFO空闲缓冲区不能够容纳请求写入的字节数，则返回EAGAIN错误，提醒以后再写

4、应用
FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。