介紹

進(jìn)程間通信目的

首先我們要了解進(jìn)程間通信的目的，一共有4點(diǎn)

1：數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)傳輸給另一個(gè)進(jìn)程

2：資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的資源

2：通知事件：一個(gè)進(jìn)程給另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送信息，通知發(fā)生了某種事件

4：進(jìn)程控制：某些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行，此時(shí)進(jìn)程希望另一個(gè)進(jìn)程能進(jìn)行攔截另一個(gè)進(jìn)程的一場，并能夠及時(shí)知道它的狀態(tài)改變

進(jìn)程間通信發(fā)展

管道，SystemV進(jìn)程間通信，POSIX進(jìn)程間通信

其中這三個(gè)都有各自的分支

• 管道：匿名管道pipe，命名管道
• SystemV IPC:System V 消息隊(duì)列/共享內(nèi)存/信號(hào)量
• POSIX IPC：消息隊(duì)列，共享內(nèi)存，信號(hào)量，互斥量，條件變量，讀寫鎖

管道

什么是管道：管道是UNIX系統(tǒng)最古老的進(jìn)程間通信方式

一個(gè)進(jìn)程鏈接另一個(gè)進(jìn)程的另一個(gè)數(shù)據(jù)流成為一個(gè)管道

匿名管道

這里是示例代碼

#include<unistd.h>
//功能是創(chuàng)建無名管道
int pipe(int fd[2]);
//參數(shù)解釋：fd為文件描述符數(shù)組，fd[0]是讀端，fd[1]為寫端

用fork來共享管道原理

站在文件描述符角度-深度理解管道

站在內(nèi)核角度

測試管道讀寫代碼示例

#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#define ERR_EXIT(m)
do {
	perror(m);
	exit(EXIT_FAILURE);
} while (0)

int main(int argc, char* argv[])
{
	int pipefd[2];
	if (pipe(pipefd) == -1)
		ERR_EXIT("pipe error");
	pid_t pid;
	pid = fork();
	if (pid == -1)
	{
		ERR_EXIT("fork error");
	}
	if (pid == 0)
	{
		close(pipefd[0]);
		write(pipefd[1], "hello", 9);
		close(pipefd[1]);
		exit(EXIT_SUCCESS);
	}
	close(pipefd[1]);
	char buf[10] = { 0 };
	read(pipefd[0], buf, 10);
	printf("buf=%s\n", buf);
	return 0;
}

管道讀寫規(guī)則

當(dāng)沒有數(shù)據(jù)可讀時(shí)

• O_NONBLOCK disable:read 調(diào)用阻塞，進(jìn)程暫停執(zhí)行，一直等到數(shù)據(jù)來到為止
• O_NONBLOCK enable :read調(diào)用返回-1，errno值為EAGAIN

當(dāng)管道滿的時(shí)候

• O_NONBLOCK disable:write調(diào)用阻塞，直到有進(jìn)程讀走數(shù)據(jù)
• O_NONBLOCK enable:調(diào)用返回-1，errno值為EAGAIN
• 如果所有管道讀寫對(duì)應(yīng)文件描述符被關(guān)閉，errno為EAGAIN
• 如果所有管道讀端量不大于PIPE_BUF時(shí)，linux將保證寫入的原子性
• 當(dāng)要寫?的數(shù)據(jù)量?于PIPE_BUF時(shí)，linux將不再保證寫?的原?性。

管道特點(diǎn)

只能用于具有共同祖先的進(jìn)程之間進(jìn)行通信，通常一個(gè)管道由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，然后進(jìn)程調(diào)用fork，此后父子進(jìn)程之間可用該管道

管道提供流式服務(wù)

• 一般而言，進(jìn)程退出管道釋放
• 所以管道的生命周期隨進(jìn)程變化而變化
• 管道是半雙工的，數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng)，需要雙方通信時(shí)，需要建立兩個(gè)管道

3-8驗(yàn)證管道通信的4種情況

• • 讀正常&&寫滿
• • 寫正常&&讀空
• • 寫關(guān)閉&&讀正常
• • 讀關(guān)閉&&寫正常

命名管道

管道應(yīng)用的一個(gè)限制就是只能在具有共同祖先的進(jìn)程間通信

如果我們?cè)诓幌嚓P(guān)的進(jìn)程間進(jìn)行通信，可以用FIFO文件進(jìn)行此工作，它通常被命名為管道

命名管道是一種特殊類型文件

創(chuàng)建命名管道

$ mkfifo filename

匿名管道和命名管道的區(qū)別

• 匿名管道是pipe函數(shù)創(chuàng)建并打開
• 命名管道由mkfifo函數(shù)創(chuàng)建，打開用open
• fifo和pipe之間唯一的區(qū)別就是他們創(chuàng)建和打開的方式不同，一旦這些工作完成之后，他們具有相同的語義

命名管道的打開規(guī)則

打開操作/未讀/打開fifo

• O_NONBLOCKdisable：阻塞直到有相應(yīng)進(jìn)程為寫?打開該FIF
• O_NONBLOCKenable：?刻返回成功

如果當(dāng)前打開操作是為寫?打開FIFO時(shí)

• O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相應(yīng)進(jìn)程為讀?打開該FIFO
• O_NONBLOCK enable：?刻返回失敗，錯(cuò)誤碼為ENXIO

System V 共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是最快的IPC形式，一旦這樣的內(nèi)存映射搭配共享它的進(jìn)程的地址空間，這些進(jìn)程間數(shù)據(jù)傳遞不再涉及到內(nèi)核，換句話說是進(jìn)程不在通過執(zhí)行進(jìn)入內(nèi)核的操作系統(tǒng)調(diào)用來傳遞彼此的數(shù)據(jù)

5-3 共享內(nèi)存相關(guān)函數(shù)

一、shmget ()：創(chuàng)建 / 獲取共享內(nèi)存

功能

創(chuàng)建一塊新共享內(nèi)存段，或獲取已存在的共享內(nèi)存段標(biāo)識(shí)。

函數(shù)原型

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

參數(shù)說明

• key：共享內(nèi)存鍵值，標(biāo)識(shí)共享內(nèi)存段的唯一名字，不同進(jìn)程通過相同 key 訪問同一塊共享內(nèi)存。
• size：共享內(nèi)存段字節(jié)大小，創(chuàng)建時(shí)指定，獲取已有段時(shí)填 0 即可。
• shmflg：權(quán)限 + 控制標(biāo)志，用法同文件 open 的 mode 權(quán)限，常用組合：
• IPC_CREAT：不存在則創(chuàng)建；已存在則直接獲取該段。
• IPC_CREAT | IPC_EXCL：不存在則創(chuàng)建；已存在函數(shù)報(bào)錯(cuò)返回 - 1，保證新建。

返回值

• 成功：返回非負(fù)整數(shù) shmid（共享內(nèi)存操作標(biāo)識(shí)）
• 失?。悍祷?-1

二、shmat ()：掛載共享內(nèi)存到進(jìn)程虛擬地址空間

功能

將指定共享內(nèi)存段映射、連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間，掛載后進(jìn)程可直接讀寫這塊內(nèi)存。

函數(shù)原型

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

參數(shù)說明

• shmid：shmget 返回的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符。
• shmaddr：手動(dòng)指定掛載地址
• 傳 NULL：由操作系統(tǒng)內(nèi)核自動(dòng)分配合適地址（最常用）；
• 非 NULL：用戶手動(dòng)指定掛載起始地址。
• shmflg：掛載屬性標(biāo)志，兩個(gè)常用取值：
• SHM_RDONLY：只讀掛載，進(jìn)程只能讀共享內(nèi)存，不可寫；
• SHM_RND：地址對(duì)齊標(biāo)志。

地址對(duì)齊規(guī)則說明

• shmaddr == NULL：內(nèi)核自動(dòng)分配地址，無需處理對(duì)齊；
• shmaddr != NULL 且無 SHM_RND：直接使用 shmaddr 作為掛載地址；
• shmaddr != NULL 且?guī)?SHM_RND：地址向下對(duì)齊到 SHMLBA 整數(shù)倍，計(jì)算公式：

實(shí)際掛載地址 = shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)

返回值

• 成功：返回共享內(nèi)存段首地址指針；
• 失?。悍祷?(void *)-1

三、shmdt ()：卸載共享內(nèi)存（脫離映射）

功能

斷開當(dāng)前進(jìn)程與共享內(nèi)存段的地址映射，進(jìn)程無法再訪問該共享內(nèi)存。

注意：僅脫離進(jìn)程映射，不會(huì)刪除操作系統(tǒng)中的共享內(nèi)存實(shí)體。

函數(shù)原型

int shmdt(const void *shmaddr);

參數(shù)說明

shmaddr：shmat 成功返回的共享內(nèi)存首地址指針。

返回值

• 成功：返回 0
• 失?。悍祷?-1

四、shmctl ()：共享內(nèi)存控制（刪除 / 修改屬性 / 獲取狀態(tài)）

功能

對(duì)共享內(nèi)存執(zhí)行控制操作：獲取狀態(tài)、修改權(quán)限、銷毀共享內(nèi)存段。

函數(shù)原型

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

參數(shù)說明

• shmid：shmget 返回的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)；
• cmd：控制動(dòng)作指令（三種核心取值）；
• buf：struct shmid_ds 結(jié)構(gòu)體指針，存儲(chǔ)共享內(nèi)存權(quán)限、狀態(tài)信息。

返回值

• 成功：返回 0
• 失敗：返回 -1

system V 消息隊(duì)列

消息隊(duì)列提供一個(gè)從一個(gè)進(jìn)程向另外一個(gè)進(jìn)程發(fā)送一塊數(shù)據(jù)的方法

每個(gè)數(shù)據(jù)塊都被認(rèn)為是有一個(gè)類型，接收者進(jìn)程接收的數(shù)據(jù)塊可以有不用的類型值

特性方面

IPC資源必須刪除，否則不會(huì)自動(dòng)刪除，除非自啟，所以System V ipc資源的生命周期隨內(nèi)核變化而變化

system V 信號(hào)量

多個(gè)執(zhí)行流程，能看到的同一份訪問資源，共享資源

被保護(hù)起來的共享資源：臨界資源

保護(hù)的方式常見為互斥和同步

任何時(shí)刻只允許一個(gè)執(zhí)行流訪問資源，叫做互斥

多個(gè)執(zhí)行流，訪問臨界資源的時(shí)候，具有一定順序性，叫做同步

系統(tǒng)中某些資源一次只允許一個(gè)進(jìn)程實(shí)用，這樣的稱謂臨界資源或互斥資源

在進(jìn)程中涉及到互斥資源的程序段叫臨界區(qū)。你寫的代碼=訪問臨界資源的代碼(臨界區(qū))+不訪問

臨界資源的代碼(?臨界區(qū))

•所謂的對(duì)共享資源進(jìn)?保護(hù)，本質(zhì)是對(duì)訪問共享資源的代碼進(jìn)?保護(hù)

信號(hào)量

ipc資源必須刪除，否則不會(huì)自動(dòng)清除，除非重啟，所以system v ipc 資源的生命周期隨內(nèi)核變化而變化

信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器

• 作用方面：臨界保護(hù)區(qū)
• 本質(zhì)方面：資源的預(yù)定機(jī)制

操作??

• 申請(qǐng)資源，計(jì)數(shù)器–，P操作
• 釋放資源，計(jì)數(shù)器++，V操作

內(nèi)核是怎么組織管理IPC資源的

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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