Linux通信

linux下的进程

１、有一段可执行程序；
２、有专用的系统堆栈空间；
３、内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；
４、具有独立的存储空间
注：进程和线程有时候并不完全区分，而往往根据上下文理解其含义。

进程间通信

１、管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
２、有名管道 (namedpipe) ： 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
　　无名管道由pipe（）函数创建： 
　　#include <unistd.h> 
　　int pipe(int filedis[2])； 参数filedis返回两个文件描述符：filedes[0]为读而打开，filedes[1]为写而打开。filedes[1]的输出是filedes[0]的输入。下面的例子示范了如何在父进程和子进程间实现通信。

#define INPUT 0 #define OUTPUT 1 void main() { 　　int file_descriptors[2]; 　　/*定义子进程号 */ 　　pid_t pid; 　　char buf[256]; 　　int returned_count; 　　/*创建无名管道*/ 　　pipe(file_descriptors); 　　/*创建子进程*/ 　　if((pid = fork()) == -1) 　　{ 　　printf("Error in fork/n"); 　　exit(1); 　　} 　　/*执行子进程*/ 　　if(pid == 0)　　 { 　　printf("in the spawned (child) process.../n"); 　　/*子进程向父进程写数据，关闭管道的读端*/ 　　close(file_descriptors[INPUT]); 　　write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data")); 　　exit(0); 　　} 　　else　　 { 　　/*执行父进程*/ 　　printf("in the spawning (parent) process.../n"); 　　/*父进程从管道读取子进程写的数据，关闭管道的写端*/ 　　close(file_descriptors[OUTPUT]); 　　returned_count = read(file_descriptors[INPUT], buf, sizeof(buf)); 　　printf("%d bytes of data received from spawned process: %s/n", 　　returned_count, buf); 　　} } 

在Linux系统下，有名管道可由两种方式创建：命令行方式mknod系统调用和函数mkfifo。下面的两种途径都在当前目录下生成了一个名为myfifo的有名管道： 
方式一：mkfifo("myfifo","rw"); 
方式二：mknod myfifo p 
生成了有名管道后，就可以使用一般的文件I/O函数如open、close、read、write等来对它进行操作。下面即是一个简单的例子，假设我们已经创建了一个名为myfifo的有名管道。 
/* 进程一：读有名管道*/ 

#include <stdio.h> #include <unistd.h> void main() { 　　FILE * in_file; 　　int count = 1; 　　char buf[80]; 　　in_file = fopen("mypipe", "r"); 　　if (in_file == NULL)　　 { 　　　　printf("Error in fdopen./n"); 　　　　exit(1); 　　} 　　while ((count = fread(buf, 1, 80, in_file)) > 0) 　　printf("received from pipe: %s/n", buf); 　　fclose(in_file); } 

/* 进程二：写有名管道*/ 

#include <stdio.h> #include <unistd.h> void main() {     FILE * out_file;     int count = 1;     char buf[80];     out_file = fopen("mypipe", "w");     if (out_file == NULL)     {         printf("Error opening pipe.");         exit(1);     }     sprintf(buf,"this is test data for the named pipe example/n");     fwrite(buf, 1, 80, out_file);     fclose(out_file); } 

３、信号量(semophore ) ： 信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是前一节的共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作： 
　　 （1） 测试控制该资源的信号量。 
　　 （2） 若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。 
　　 （3） 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。 
　　 （4） 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。 
　 　 维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include　/linux　/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获 得一个信号量ID。 
struct sem
  {
  short sempid;/* pid of last operaton */
  ushort semval;/* current value */
  ushort semncnt;/* num procs awaiting increase in semval */
  ushort semzcnt;/* num procs awaiting semval = 0 */
}
　　 #include <sys/types.h> 
　　 #include <sys/ipc.h> 
　　 #include <sys/sem.h> 
　　 int semget(key_t key, int nsems, int flag); 
　  key是前面讲过的IPC结构的关键字，flag将来决定是创建新的信号量集合，还是引用一个现有的信号量集合。nsems是该集合中的信号量数。如果是创建新 集合（一般在服务器中），则必须指定nsems；如果是引用一个现有的信号量集合（一般在客户机中）则将nsems指定为0。 
　　 semctl函数用来对信号量进行操作。 
　　 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg); 
　　 不同的操作是通过cmd参数来实现的，在头文件sem.h中定义了7种不同的操作，实际编程时可以参照使用。 
　　 
      semop函数自动执行信号量集合上的操作数组。 
　　 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops); 
　　 semoparray是一个指针，它指向一个信号量操作数组。nops规定该数组中操作的数量。 

　　 具体的例子，它创建一个特定的IPC结构的关键字和一个信号量，建立此信号量的索引，修改索引指向的信号量的值，最后我们清除信号量。在下面的代码中，函数ftok生成我们上文所说的唯一的IPC关键字。 

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/sem.h> #include <sys/ipc.h> void main(){     key_t unique_key; /* 定义一个IPC关键字*/ int id;     struct sembuf lock_it;     union semun options;     int i;     unique_key = ftok(".", 'a'); /* 生成关键字，字符'a'是一个随机种子*/     /* 创建一个新的信号量集合*/     id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);     printf("semaphore id=%d/n", id);     options.val = 1; /*设置变量值*/     semctl(id, 0, SETVAL, options); /*设置索引0的信号量*/     /*打印出信号量的值*/     i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);      printf("value of semaphore at index 0 is %d/n", i);     /*下面重新设置信号量*/     lock_it.sem_num = 0; /*设置哪个信号量*/     lock_it.sem_op = -1; /*定义操作*/     lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/     if (semop(id, &lock_it, 1) == -1)     {           printf("can not lock semaphore./n");         exit(1);     }     i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);     printf("value of semaphore at index 0 is %d/n", i);     /*清除信号量*/     semctl(id, 0, IPC_RMID, 0); } 

原型：intsemget(key_t key,int nsems,int semflg);创建一个新的信号量集，或者存取一个已经存在的信号量集。

返回值：如果成功，则返回信号量集的IPC标识符。如果失败，则返回-1。
errno=EACCESS(没有权限)

EEXIST(信号量集已经存在，无法创建)
EIDRM(信号量集已经删除)
ENOENT(信号量集不存在，同时没有使用IPC_CREAT)
ENOMEM(没有足够的内存创建新的信号量集)
ENOSPC(超出限制)
    系统调用semget()的第一个参数是关键字值（一般是由系统调用ftok()返回的）。系统内核将此值和系统中存在的其他的信号量集的关键字值进行比较。打开和存取操作与参数semflg中的内容相关。IPC_CREAT如果信号量集在系统内核中不存在，则创建信号量集。IPC_EXCL当和 IPC_CREAT一同使用时，如果信号量集已经存在，则调用失败。如果单独使用IPC_CREAT，则semget()要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回系统中已经存在的同样的关键字值的信号量的标识符。如果IPC_EXCL和IPC_CREAT一同使用，则要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回-1。IPC_EXCL单独使用没有意义。参数nsems指出了一个新的信号量集中应该创建的信号量的个数。信号量集中最多的信号量的个数是在linux/sem.h中定义的：
#defineSEMMSL32/*<=512maxnumofsemaphoresperid*/
下面是一个打开和创建信号量集的程序：

intopen_semaphore_set(key_t keyval,int numsems){    intsid;    if(!numsems)    return(-1);    if((sid=semget(mykey,numsems,IPC_CREAT|0660))==-1)    {        return(-1);    }    return(sid);}

调用原型：int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);
返回值：0，如果成功。-1，如果失败：errno=E2BIG(nsops大于最大的ops数目)
EACCESS(权限不够)
EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT，但操作不能继续进行)
EFAULT(sops指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINTR(当睡眠时接收到其他信号)
EINVAL(信号量集不存在,或者semid无效)
ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但无足够的内存创建所需的数据结构)
ERANGE(信号量值超出范围)
    第一个参数是关键字值。第二个参数是指向将要操作的数组的指针。第三个参数是数组中的操作的个数。参数sops指向由sembuf组成的数组。此数组是在linux/sem.h中定义的：
/*semop systemcall takes an array of these*/
structsembuf{
ushortsem_num;/*semaphore index in array*/
shortsem_op;/*semaphore operation*/
shortsem_flg;/*operation flags*/
sem_num将要处理的信号量的个数。
sem_op要执行的操作。
sem_flg操作标志。
    如果sem_op是负数，那么信号量将减去它的值。这和信号量控制的资源有关。如果没有使用IPC_NOWAIT，那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号量控制的资源可以使用为止。如果sem_op是正数，则信号量加上它的值。这也就是进程释放信号量控制的资源。最后，如果sem_op是0，那么调用进程将调用sleep()，直到信号量的值为0。这在一个进程等待完全空闲的资源时使用。

原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semunarg);
返回值：如果成功，则为一个正数。
如果失败，则为-1：errno=EACCESS(权限不够)
EFAULT(arg指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINVAL(信号量集不存在，或者semid无效)
EPERM(EUID没有cmd的权利)
ERANGE(信号量值超出范围)
    系统调用semctl用来执行在信号量集上的控制操作。这和在消息队列中的系统调用msgctl是十分相似的。但这两个系统调用的参数略有不同。因为信号量一般是作为一个信号量集使用的，而不是一个单独的信号量。所以在信号量集的操作中，不但要知道IPC关键字值，也要知道信号量集中的具体的信号量。这两个系统调用都使用了参数cmd，它用来指出要操作的具体命令。两个系统调用中的最后一个参数也不一样。在系统调用msgctl中，最后一个参数是指向内核中使用的数据结构的指针。我们使用此数据结构来取得有关消息队列的一些信息，以及设置或者改变队列的存取权限和使用者。但在信号量中支持额外的可选的命令，这样就要求有一个更为复杂的数据结构。
系统调用semctl()的第一个参数是关键字值。第二个参数是信号量数目。
    参数cmd中可以使用的命令如下：
    ·IPC_STAT读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。
    ·IPC_SET设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。
    ·IPC_RMID将信号量集从内存中删除。
    ·GETALL用于读取信号量集中的所有信号量的值。
    ·GETNCNT返回正在等待资源的进程数目。
    ·GETPID返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
    ·GETVAL返回信号量集中的一个单个的信号量的值。
    ·GETZCNT返回这在等待完全空闲的资源的进程数目。
    ·SETALL设置信号量集中的所有的信号量的值。
    ·SETVAL设置信号量集中的一个单独的信号量的值。
    参数arg代表一个semun的实例。semun是在linux/sem.h中定义的：
/*arg for semctl systemcalls.*/
unionsemun{
intval;/*value for SETVAL*/
structsemid_ds*buf;/*buffer for IPC_STAT&IPC_SET*/
ushort*array;/*array for GETALL&SETALL*/
structseminfo*__buf;/*buffer for IPC_INFO*/
void*__pad;
    val当执行SETVAL命令时使用。buf在IPC_STAT/IPC_SET命令中使用。代表了内核中使用的信号量的数据结构。array在使用GETALL/SETALL命令时使用的指针。
    下面的程序返回信号量的值。当使用GETVAL命令时，调用中的最后一个参数被忽略：

intget_sem_val(intsid,intsemnum){    return(semctl(sid,semnum,GETVAL,0));}

    下面是一个实际应用的例子：

#defineMAX_PRINTERS5printer_usage(){    int x;    for(x=0;x<MAX_PRINTERS;x++)        printf("Printer%d:%d/n/r",x,get_sem_val(sid,x));}

    下面的程序可以用来初始化一个新的信号量值：

void init_semaphore(int sid,int semnum,int initval){    union semunsemopts;    semopts.val=initval;    semctl(sid,semnum,SETVAL,semopts);}

    注意系统调用semctl中的最后一个参数是一个联合类型的副本，而不是一个指向联合类型的指针。

４、消息队列( messagequeue ) ： 消息队列是由消息的链表，链表中节点的结构用msg声明，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点消息。事实上，它是一种正逐渐被淘汰的通信方式，我们可以用流管道或者套接口的方式来取代它。
５、信号 (sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

６、共享内存(shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。得到共享内存有两种方式：映射/dev/mem设备和内存映像文件。前一种方式不给系统带来额外的开销，但在现实中并不常用，因为它控制存取的将是 实际的物理内存，在Linux系统下，这只有通过限制Linux系统存取的内存才可以做到，这当然不太实际。常用的方式是通过shmXXX函数族来实现利 用共享内存进行存储的。 

　　首先要用的函数是shmget，它获得一个共享存储标识符。 
　　#include <sys/types.h> 
　　#include <sys/ipc.h> 
　　#include <sys/shm.h> 
　　int shmget(key_t key, int size, int flag); 
　 　这个函数有点类似malloc函数，系统按照请求分配size大小的内存用作共享内存。Linux系统内核中每个IPC结构都有的一个非负整数 的标识符，这样对一个消息队列发送消息时只要引用标识符就可以了。这个标识符是内核由IPC结构的关键字得到的，这个关键字，就是上面第一个函数的 key。数据类型key_t是在头文件sys/types.h中定义的，它是一个长整形的数据。 
　　 
     当共享内存创建后，其余进程可以调用shmat（）将其连接到自身的地址空间中。 
　　 void *shmat(int shmid, void *addr, int flag); 
　　 shmid为shmget函数返回的共享存储标识符，addr和flag参数决定了以什么方式来确定连接的地址，函数的返回值即是该进程数据段所连接的实际地址，进程可以对此进程进行读写操作。 
　 　 使用共享存储来实现进程间通信的注意点是对数据存取的同步，必须确保当一个进程去读取数据时，它所想要的数据已经写好了。通常，信号量被要来实现对共享存 储数据存取的同步，另外，可以通过使用shmctl函数设置共享存储内存的某些标志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等来实现。 
７、套接字(socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。
８、文件和记录锁定：为避免两个进程间同时要求访问同一资源而引起访问和操作的混乱,在进程对共享资源进行访问前必须对其锁定,该进程访问完后再释放.这是UNIX为共享资源提供的互斥性保障。

　　进程间通信方法的优点和缺点：如果用户传递的信息较少．或是需要通过信号来触发某些行为．前文提到的软中断信号机制不失为一种简捷有效的进程间通信方式．但若是进程间要求传递的信息量比较大或者进程间存在交换数据的要求，那就需要考虑别的通信方式了。无名管道简单方便．但局限于单向通信的工作方式．并且只能在创建它的进程及其子孙进程之间实现管道的共享：有名管道虽然可以提供给任意关系的进程使用．但是由于其长期存在于系统之中，使用不当容易出错．所以普通用户一般不建议使用。消息缓冲可以不再局限于父子进程．而允许任意进程通过共享消息队列来实现进程间通信．并由系统调用函数来实现消息发送和接收之间的同步．从而使得用户在使用消息缓冲进行通信时不再需要考虑同步问题．使用方便，但是消息队列中信息的复制需要额外消耗CPU的时间．不适宜于信息量大或操作频繁的场合。共享内存针对消息缓冲的缺点改而利用内存缓冲区直接交换信息，无须复制，快捷、信息量大是其优点。但是共享内存的通信方式是通过将共享的内存缓冲区直接附加到进程的虚拟地址空间中来实现的．因此，这些进程之间的读写操作的同步问题操作系统无法实现。必须由各进程利用其他同步工具解决。另外，由于内存实体存在于计算机系统中．所以只能由处于同一个计算机系统中的诸进程共享,不方便网络通信。不同的进程通信方式有不同的优点和缺点．因此．对于不同的应用问题，要根据问题本身的情况来选择进程间的通信方式。

一般来说，进程间的通信根据通信内容可以划分为两种：即控制信息的传送与大批数据传送。有时也把进程间控制信息的交换称为低级通信，而把进程间大批量数据的交换称为高级通信。

线程间通信

１、锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁   *互斥锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。   *读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。   *条件变量可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。
２、信号量机制(Semaphore)：包括无名线程信号量和命名线程信号量
３、信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理
注：线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。