Linux进程通信（一）

来源：互联网发布：转换视频格式软件编辑：程序博客网时间：2024/05/07 13:35

Linux进程通信

一个大型的应用系统，往往需要众多进程协作，因此进程间的通信便显得格外的重要了。

1.进程间通信方式概述

进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息，由于进程用户空间之间是互相独立的，不能互相访问，所以只能通过共享内存区来通信。
除此之外，双方也可以通过访问都能访问的外设来达到信息的交换，例如磁盘。当然，也有通过“注册表”或其他数据库中某些表项和记录交换信息，但一般都不算作进程间的通信。Linux的进程间通信方法有管道、消息队列、信号量、共享内存、套接字等。

Linux进程间通信（IPC）由以下几部分发展而来：
1.UNIX进程间通信
2.基于System V进程间通信
3.POSIX进程间通信:
POSIX(Portable Operating System Interface)表示可移植操作系统接口。电气和电子工程师协会（IEEE）最初开发 POSIX 标准，是为了提高 UNIX 环境下应用程序的可移植性。然而，POSIX 并不局限于 UNIX，许多其它的操作系统，例如 DEC OpenVMS 和 Microsoft Windows，都支持 POSIX 标准。

1.1进程间通信的目的

Linxu进程通信的目的有以下几个特点：
（1）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兆字节之间。
（2）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。
（3）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）发生了某件事（如终止进程需要通知父进程）。
（4）资源共享，多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供锁和同步机制。
（5）进程控制，有些进程希望完全控制另一个进程的执行（Denug），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有信息和异常，并能够及时知道它的状态。

1.2进程间通信方式

Linux下的进程通信的几种主要的方式：
（1）管道（Pipe）和有名管道（FIFO）。
（2）信号（Signal）。
（3）消息队列。
（4）共享内存（Shared Memory）。
（5）信号量（Semaphore）。
（6）套接字（Socket）。

1.3管道通信

管道通信分为无名管道和有名管道，无名管道可以用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制。
管道是Linux支持的最初UNIX IPC形式之一，具有以下特点：
（1）管道是半双工的，数据只能向一个方向流动，而且先进先出；需要双方通信时，需要建立起两个管道。
（2）只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系）。
（3）单独构成一种独立的文件系统。管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通文件，不属于文件系统，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，一个进程向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，并且每次都是从缓存区的头部读出数据。
（5）数据被一个进程读出后，将被从管道中删除，其它读进程将不能再读到这些数据。
（6）管道提供了简单的流控制机制，进程试图读空管道时，进程将阻塞。同样，管道已经满时，进程再试图向管道写入数据，进程将阻塞。

1.3.1无名管道

pipe函数用于建立管道：

相关函数 mkfifo,popen,read,write,fork 头文件 unistd.h 定义函数 int pipe(int filedes[2]); 函数说明 pipe()会建立管道，并将文件描述符由参数filedes数组返回。filedes[0]为管道了的读取端，filedes[1]则为管道的写入端。返回值若成功则返回0，否则返回-1，错误原因存放在errno中错误代码 EMFILE：进程已用完文件描述符的最大值。ENFILE：系统已无文件描述符可用。EFAULT：参数filedes数组地址不合法。

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：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。

这里写图片描述

读写无名管道管道两端分别用文件描述符fd[0],fd[1]来描述，需要注意的是fd[0]称为读管道，只能用于读，fd[1]称为写管道只能用于写。一般文件函数都可以用于管道，如close，read，write等。

从管道中读取数据：
（1）如果管道写端不存在，则是认为已经读到了实际的末尾，读函数返回的读出字节数为0。
（2）当管道的写端存在是，如果恳求的字节数目大于 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，或者返回请求的字节数。
（3）管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，知道读出为止。
2个注意点：
a.写端对读端存在依赖性；
b.Linux写管道的原子性验证；

用法：1.用于shell；管道可用于输入输出重定向，它将一个命令的输出直接定向到另一个命令的输入。2.用于具有亲缘关系进程间的通信；

1.3.2有名管道

相较于无名管道，克服了只能用于亲缘进程间通信的限制。它提供了一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样即使不是亲缘进程，只要能够访问该路径，就彼此能通过FIFO通信。
用mkfifo函数建立有名管道：

相关函数 pipe,popen,open,umask 头文件 sys/types.h sys.stat.h 定义函数 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 函数说明 mkfifo()会依参数pathname建立特殊的FIFO文件，该文件必须不存在，而参数mode为该文件的权限（mode%~umask），因此umask值也会影响到FIFO文件权限。mkfifo()创建的FIFO文件其他进程都可以用读写一般文件的方式获取，当使用open()打开FIFO文件时，O_NONBLOCK旗标会有影响。返回值若成功则返回0，否则返回-1，错误原因存放在errno中错误代码 EACCESS：参数pathname所指定的目录路径无可执行权限。EEXIST：参数pathname所指定的文件已存在。ENAMETOOLONG：参数pathname的路径太长。ENOENT：参数pathname包含目录不存在。ENOSPC：文件系统的剩余空间不足。ENOTDIR：参数pathname路径目录存在但非真正目录。EROFS：参数pathname指定的文件存在于只读文件系统内

1.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了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为空，则对于设置了阻塞标志的读操作来说，将一直阻塞下去，直到有数据可以读时才继续执行；对于没有设置阻塞标志的读操作来说，则返回0个字节，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、当前FIFO内有数据，但有其它进程在读这些数据；二、FIFO本身为空。
解阻塞的原因是：FIFO中有新的数据写入，不论写入数据量的大小，也不论读操作请求多少数据量，只要有数据写入即可。
（3）读打开的阻塞标志只对本进程第一个读操作施加作用，如果本进程中有多个读操作序列，则在第一个读操作被唤醒并完成读操作后，其它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中的字节数少于请求的字节数而阻塞，此时，读操作会返回FIFO中现有的数据量。

2.从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。
FIFO的长度是需要考虑的一个很重要因素。系统对任一时刻在一个FIFO中可以存在的数据长度是有限制的。它由#define PIPE_BUF定义，在头文件limits.h中。在Linux和许多其他类UNIX系统中，它的值通常是4096字节，Red Hat Fedora9下是4096，但在某些系统中它可能会小到512字节。
虽然对于只有一个FIFO写进程和一个FIFO的读进程而言，这个限制并不重要，但只使用一个FIFO并允许多个不同进程向一个FIFO读进程发送请求的情况是很常见的。如果几个不同的程序尝试同时向FIFO写数据，能否保证来自不同程序的数据块不相互交错就非常关键了à也就是说，每个写操作必须“原子化”。

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，直到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。即写入的数据长度小于等于PIPE_BUF时，那么或者写入全部字节，或者一个字节都不写入，它属于一个一次性行为，具体要看FIFO中是否有足够的缓冲区。
（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。
（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。在写满所有FIFO空闲缓冲区后，写操作返回。

#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)pathname：FIFO文件名mode：属性（见文件操作章节）一旦创建了一个FIFO，就可用open打开它，一般的文件访问函数（close、read、write等）都可用于FIFO

1.4信号通信

信号(signal)机制是Unix系统中最为古老的进程间通信机制，很多条件可以产生一个信号：
1、当用户按某些按键时，产生信号
2、硬件异常产生信号：除数为0、无效的存储访问等等。这些情况通常由硬件检测到，将其通知内核，然后内核产生适当的信号通知进程，例如，内核对正访问一个无效存储区的进程产生一个SIGSEGV信号
3、进程用kill函数将信号发送给另一个进程
4、用户可用kill命令将信号发送给其他进程

信号类型:

这里写图片描述

下面是几种常见的信号：§ SIGHUP： 从终端上发出的结束信号§ SIGINT： 来自键盘的中断信号（Ctrl-C）§ SIGKILL：该信号结束接收信号的进程§ SIGTERM：kill 命令发出的信号§ SIGCHLD：标识子进程停止或结束的信号§ SIGSTOP：来自键盘（Ctrl-Z）或调试程序的停止执行信号

信号处理:
当某信号出现时，将按照下列三种方式中的一种进行处理：
1、忽略此信号
大多数信号都按照这种方式进行处理，但有两种信号决不能被忽略,它们是：SIGKILL\SIGSTOP。
这两种信号不能被忽略的原因是：它们向超级用户提供了一种终止或停止进程的方法。
2、执行用户希望的动作
通知内核在某种信号发生时，调用一个用户函数。在用户函数中，执行用户希望的处理。
3、执行系统默认动作
对大多数信号的系统默认动作是终止该进程。

信号发送
发送信号的主要函数有 kill和raise。

区别：Kill既可以向自身发送信号，也可以向其他进程发送信号。与kill函数不同的是，raise函数是向进程自身发送信号#include <sys/types.h>#include <signal.h>int kill(pid_t pid, int signo)int raise(int signo)

kill的pid参数有四种不同的情况：
1、pid>0
将信号发送给进程ID为pid的进程。
2、pid == 0
将信号发送给同组的进程。
3、pid < 0
将信号发送给其进程组ID等于pid绝对值的进程。
4、pid ==－1
将信号发送给所有进程。

alarm:
使用alarm函数可以设置一个时间值(闹钟时间)，当所设置的时间到了时，产生SIGALRM信号.如果不捕捉此信号，则默认动作是终止该进程。

#include <unistd.h>unsigned int alarm(unsigned int seconds)Seconds：  经过了指定的seconds秒后会产生信号SIGALRM。

每个进程只能有一个闹钟时间.如果在调用alarm时，以前已为该进程设置过闹钟时间，而且它还没有超时，以前登记的闹钟时间则被新值代换。如果有以前登记的尚未超过的闹钟时间，而这次seconds值是0，则表示取消以前的闹钟。

pause:
pause函数使调用进程挂起直至捕捉到一个信号。

#include <unistd.h>int pause(void)只有执行了一个信号处理函数后，挂起才结束

信号的处理:
当系统捕捉到某个信号时，可以忽略该信号或是使用指定的处理函数来处理该信号，或者使用系统默认的方式信号处理的主要方法有两种，一种是使用简单的signal函数，另一种是使用信号集函数组。

signal#include <signal.h>void (*signal (int signo, void (*func)(int)))(int)typedef void (*sighandler_t)(int) sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler))func可能的值是：1、SIG_IGN：忽略此信号2、SIG_DFL: 按系统默认方式处理3、信号处理函数名：使用该函数处理

Linux进程通信（二）

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