Linux系统编程之图解进程间通信

Linux大号 2017-01-28 21:49

进程间通信

IPC：Inter-Process Communications

广义：不同进程间传递、共享信息或提供服务的方式

分类：

同一主机进程间：狭义IPC

消息传递类：信号、管道、消息队列、本地Socket

共享存储类：文件共享、共享内存

同步机制类：锁文件、区域锁、信号量

不同主机进程间：

TCP/IP类：Socket编程

远程调用类：RPC，Linux没有现成支持，基于网络实现

进程间共享信息的实现方式

每个进程都有各自的地址空间

进程间共享信息的方法： 见下页图

两个进程共享存储于文件系统中某个文件内容：

文件共享、锁文件

两个进程共享驻留于内核中的某些信息：

管道、消息队列、信号量、本地Socket、区域锁

两个进程有一个双方都能访问的共享内存区

给进程发信号

IPC对象的持续性

随进程持续的：管道、区域锁、Socket

随内核持续的：消息队列、信号量、共享内存

随文件系统持续的：共享文件、锁文件

System V IPC

Unix家族一大分支

Linux中的消息队列、信号量、共享内存机制源自System UNIX，因此称这三种IPC为System V IPC

key_t

System V IPC使用key_t作为通信双方共同预知的名字

key_t通常是一个至少32位的整数，通常调用ftok产生

值为IPC_PRIVATE时表示是一个唯一的IPC对象

key_t ftok(const char * pathname, int id);

功能：根据指定路径和IPC通道号产生IPC键

返回值：成功IPC键，失败<0

参数：pathname：路径名（一般是目录名）

id：相同路径下的不同IPC通道

key_t组成：id低8位+stat.st_dev低12位+stat.st_ino低12位

有几率重复。

ipc_perm结构内核为每个IPC对象维护一个信息结构（类似于文件维护信息）

struct ipc_perm{

uid_t uid; //属主ID，可修改

gid_t gid;

uid_t cuid; //创建者ID，不可修改 gid_t cgid; mode_t mode; //见open函数mode参数，此处一般为0666，不讲可执行

ulong_t seq;//产生全系统范围内IPC标识符的槽位号

key_t key;//IPC名字，即IPC键

}

ipcs -q ipcrm –q id或ipcrm msg id 查看删除消息队列

ipcs -s ipcrm –s id或ipcrm sem id 查看、删除信号量

ipcs -m ipcrm –m id或ipcrm shm id 查看、删除共享内存

消息传递

管道

匿名管道

命名管道：FIFO

一个简单的客户-服务器的例子

一个单向数据流通道

仅限于父子进程间

int pipe(int fd[2]);

功能：返回两个文件描述符:fd[0]和f[1]。前者打开读，后者打开写

返回值：成功0，失败< 0

单个进程中的管道

fork匿名后的管道

父子进程间匿名管道

匿名管道实现一个双向数据流的两个管道

popen和pclose

FILE *popen(const char *command,const char *type);

创建管道并fork子进程，exec command，从管道读出标准输入或往管道中写入标准输出

int pclose(FILE *stream);

关闭标准I/O流，并等待子进程终止

重定向标准输入、标准输出用dup2；

Linux命令行管道线支持

命名管道、有名管道、FIFO

单工通信

有一个文件名与之关联

允许无亲缘关系的进程间建立管道

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

创建新FIFO,隐含指定了O_CREATE和O_EXCL

打开已有FIFO使用open函数(要么O_RDONLY 要么O_WRONLY)

不能使用lseek

一般步骤：

先创建FIFO

打开FIFO，获取文件描述符

读或写数据

关闭文件描述符

删除FIFO

高级应用：单个服务器，多个客户端

创建众所周知的FIFO

每次往管道写的数据尽量不要超过512字节

变长结构体传输

struct mymsg

{

long datasize;//数据总长度

char mdata[1];//实际数据

}；

mdata叫占位符

数据发送

数据接收步骤：

1. 先收4字节的数据长度

2. 分配空间

3. 接收后续数据

消息队列

全双工通道

使用消息队列标识符标识，不是文件描述符（不能用select）

消息队列信息结构：struct msgid_ds{

struct ipc_perm msg_perm; //ipc对象信息

struct msg *msgfirst; //队头指针

strcut msg *msglast; //队尾指针

msglen_t msg_cbytes; //队列中当前字节数

msgqnum_t msg_qnum; //队列中消息数

msglen_t msg_qbytes; //队列中允许的最大字节数

pid_t msg_lspid; // 最后发消息的进程ID

pid_t msg_lrpid; //最后收消息的进程ID

time_t msg_stime,msg_rtime,msg_ctime; //最后发、收消息的时间和最后

修改队列信息的时间

}

消息队列实现结构

消息队列接口-msgget

int msgget(key_t key, int oflag);

功能：创建一个消息队列或打开一个已经存在的消息队列

返回值：成功消息队列标识符，失败 < 0

参数：key：消息队列名称键（ftok的返回值或IPC_PRIVATE）

oflag：读写权限组合与IPC_CREATE和IPC_EXCL的或

消息队列接口-msgctl

int msgctl(int msgid, int cmd, struct msgid_ds *buff);

功能：对指定消息队列做些控制操作

返回值：成功0，失败 < 0

参数：msgid：消息队列标识符，指定一个打开的消息队列

buff：消息队列信息描述结构指针

cmd：

IPC_RMID：删除指定消息队列，buff参数无用

IPC_SET：由buff指定消息队列信息结构的msg_qbytes成员和

msg_perm成员的uid、gid、mode成员

IPC_STAT：通过buff获取指定消息队列的信息

共享内存

最快的IPC形式

一旦内存区映射到对应进程，数据传递不再经过内核

但通常需要配合以同步机制

共享信息内存结构

使用共享内存标识符标识，不是文件描述符（不能用select）

共享内存信息结构：struct shmid_ds{

struct ipc_perm shm_perm; //ipc对象信息

size_t shm_segsz; //共享内存区的大小，单位字节数

pid_t shm_lpid; // 最后操作内存区的进程ID

pid_t shm_cpid; //创建共享内存区的进程ID

shmatt_t shm_nattch;//当前附接数

time_t shm_atime,shm_dtime,shm_ctime; //最后附接、断接的时间和最后

修改共享内存信息的时间

}

共享内存接口-shmget

int shmget(key_t key, size_t size, int oflag );

功能：创建一个新的共享内存区或者打开一个已存在的共享内存区

返回值：成功返回共享内存标识符，失败 < 0

参数：key：共享内存名称键（ftok的返回值或IPC_PRIVATE）

size：以字节为单位的指定共享内存区的大小,创建时必须大于0，只打开

时为0

oflag：mode | [IPC_CREATE] | [IPC_EXCL]

创建时共享内存区被初始化为size个0

共享内存接口-shmat、shmdt

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

功能：将指定共享内存附接到调用进程的地址空间

返回值：成功返回映射区的起始地址，失败 < 0

参数：

shmid：共享内存标识符

shmaddr：为NULL起始地址系统决定，不为NULL则是一个建议起始地址

flag：为0或SHM_RDONLY

创建时共享内存区被初始化为size个0

int shmdt(const void* shmaddr );

功能：将指定的地址空间与共享内存断接

返回值：成功0，失败 < 0

只是断接，并不删除；进程退出会自动断接，但不可依赖，建议程序中显式调用

共享内存

另一种父子进程间的共享内存机制

打开/dev/zero

该设备为0字节的无限资源，接收数据确又忽略这些数据

用mmap映射此设备文件描述符

mmap指定MAP_SHARED

共享内存长度为mmap第二个参数

一个未名存储区

映射成功后共享内存被初始化为0

实际长度为页的整数倍

一旦映射成功即可关闭文件描述符

进程同步

进程信号量集

一个信号量集同时管理着一个或多个信号量

其中每个信号量都是计数信号量

信号量集信息结构struct semid_ds{

struct ipc_perm sem_perm;//ipc对象信息

struct sem *sem_base;//信号量数组首地址

ushort sem_nsems;//信号量总数

time_t sem_otime, sem_ctime;//最后semop时间，创建或IPC_SET的时间

};

struct sem{

ushort_t semval;//信号量当前值

pid_t sempid;//最后成功semop，SETVAL，SETALL进程的pid

ushort_t semncnt;//等待semval值大于其当前值的进程数（或线程数）

ushort_t semzcnt;// 等待semval值等于0的进程数（或线程数）

}

进程信号量集接口-semget

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

功能：创建一个新的信号量集或者打开一个已存在的信号量集

返回值：成功返回信号量集标识符，失败 < 0

参数：key：信号量集名称键（ftok的返回值或IPC_PRIVATE）

nsems：指定集合中的信号量数，为0时表示打开一个存在的信号量集

oflag：mode | [IPC_CREATE] | [IPC_EXCL]

信号量集一旦创建成功我们无法改变其中包含的信号量数目

新的信号量集被创建其中包含的所有信号量均未初始化

进程信号量集接口-semop

int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);

功能：对指定信号量集中的一个或多个信号量进行PV操作

返回值：成功0，失败 < 0

参数：semid：信号量集标识符，表示被操作的信号量集

opsptr：包含多个操作的数组首地址

nops：表示opsptr数组包含的操作个数

struct sembuf{

short sem_num;//表示该操作的信号量在信号量集中的下标

short sem_op;//表示做什么操作，详见下页

short sem_flg; //操作的补充属性（0，IPC_NOWAIT，SEM_UNDO）

}

sem_flg：三者取其一

IPC_NOWAIT：执行P操作时获取不到资源立即返回错误而不阻塞

SEM_UNDO：有些程序在终止时并没有释放占用的信号量，这样可能会造成另外的等待资源的进程永久睡眠，加上这个标志后，每个进程会对它所用的信号量做一个登记，方便进程退出时释放占用的信号量资源

0：P操作阻塞，不做SEM_UNDO

持续更新，相互学习，敬请关注~