进程间通信(IPC)

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所属分类:linux技术
摘要

管道编程步骤:内存映射(mmap)共享内存消息队列信号量


进程间通信(Interprocess Communication,IPC)是指两个或者多个进程之间进行数据交换的过程 进程拥有独立的内存空间

类别

简单进程间通信

  • 命令行参数(向子进程传递和exec系列函数)
    • 这里可以这么理解:在创建子进程的时候,命令行参数是共享的
    • 可以通过fork 的返回值,传递
  • 环境列表 (子进程继承父进程的环境列表和exec系列函数)
  • 信号 (信号本身就是一个数据,不同的信号表示不同的数据,sigqueue还可以携带信号附加值)
  • 文件 (文件就不赘述,Linux下万物皆文件)

传统进程间通信

  • 管道

    • 这里管道又可以细分为有名管道和无名管道
    • 有名管道
    # mkfifo fifo # echo 要写入的数据 > fifo # cat fifo # 管道本身不存储数据。可以当成水管来理解 # 水桶(文件)才是存放数据的容器 # 水管是负责运输,并且一根水管不可能同时做到往水桶里加水和取水  
    • 编程模型
    步骤 进程A 函数 进程B 步骤
    1 创建管道 mkfifo ----
    2 打开管道 open 打开管道 1
    3 读写管道 read/write 读写管道 2
    4 关闭管道 close 关闭管道 3
    5 删除管道 unlink
    • 无名管道 只适用于父子进程之间的通信
#include <unistd.h> int pipe(int pipefd[2]); //成功返回0   失败返回-1 pipefd[2]  作为输出参数  
  • 编程步骤:

    • 通过输出参数pipefd得到两个文件描述符,其中 pipefd[0]用于读,pipefd[1]用于写
    • pipe函数在内核中创建管道文件,并打开两次,一次读,一次写
    • 需要在fork之前调用pipe函数
    • 调用fork创建子进程
    • 父子进程只允许使用无名管道的一端(如果进程想读,则必须关闭写,如果想写,则必须关闭读)
    • 写数据的进程关闭读端(pipefd[0]),读数据的进程关闭写端(pipefd[1])
    • 父子进程传输数据
    • 父子进程分别关闭自己的文件描述符
  • 内存映射(mmap)

    • mmap/munmap底层不维护任何东西,只是返回一个首地址,所分配内存位于堆中
    • brk/sbrk底层维护一个白板纸地,记录所分配内存的结尾位置,所分配内存位于堆中,底层调用mmap/munmap
    • malloc底层维护一个双向链表和必要的控制信息,不可越界访问,所分配内存位于堆中,底层调用brk/sbrk
    • 每个进程都有虚拟的内存空间,虚拟内存地址只是一个数字 ,并没有和实际的物理内存将关联
    • 所谓内存分配与释放,其本质就是建立或者取消虚拟内存和物理内存之间的映射关系
  #include <sys/mman.h>   //虚拟内存映射到物理内存或者文件   void *mmap(       void *addr,     //虚拟内存起始位置,如果为NULL则系统自动选定合适的虚拟内存,成功则返回 一般给NULL       size_t length,  //映射长度,以字节为单位,自动按照(4K)页对齐       int prot,       //映射权限       int flags,      //映射标志       int fd,         //文件描述符,如果映射到文件则需要指定  如果不是映射到文件(匿名映射)则给0即可       off_t offset    //文件偏移量,自动按照页(4k)对齐   );   /*   成功返回映射区内存的起地址,失败返回-1 (MAP_FAILED)   prot  权限取值:   PROT_EXEC  -  映射区可执行   PROT_READ  -  映射区可读   PROT_WRITE -  映射区可写   PROT_NONE  -  映射区不可访问       如果既需要读,也需要写,则  PROT_READ|PROT_WRITE   flags  映射标志:   MAP_FIXED          - 若在addr内存地址上无法创建映射,则失败(无此标志系统会自动调整合适位置)   MAP_SHARED         - 对映射区域的写入操作直接写入到文件中   MAP_PRIVATE        - 对映射区的写入操作只写入到缓冲区中,不会真正写入到文件   MAP_ANONYMOUS      - 匿名映射  将虚拟内存映射到物理内存而非文件    忽略fd 和 offset参数   MAP_DENYWRITE      - 拒绝其它对文件的写入操作   MAP_LOCKED         - 锁定映射区域,保证其不被置换       一定需要 MAP_SHARED 和 MAP_PRIVATE  二选一   */          //取消内存映射       int munmap(void *addr,size_t length); 

XSI进程间通信

IPC标识

  • 内核为每个进程间通信维护一个结构体形式的IPC对象
  • 该IPC对象可通过一个非负整数的IPC标识来引用
  • 与 文件描述符不同,IPC标识在使用时会持续加1,当达到最大值时,向0回转
  • 非负整数,唯一标识一个进程间通信的IPC对象

IPC键值

  • IPC标识是IPC对象的内部名称(编号)
  • 若多个进程需要在同一个IPC对象上会合(使用同一个进程间通信渠道),则必须通过键值作为其外部名称来引用该IPC对象,IPC键值外部名称
  • 无论何时,只要创建IPC对象,就必须指定个键值
  • 键值的数据类型在sys/types.h头文件中被定义为key_t类型,其原始类型就是长整型

两个进程如何在同一个IPC对象上汇合

  • 方式一: 服务器进程以PIC_PRIVATE为键值创建一个新的IPC对象,并将该IPC对象的标识存放在某外(如文件中),客户端进程就只可以去该文件中读取
  • 方式二: 在一个公共头文件中,定义一个两个进程都认可的键值,服务器进程用此键值创建IPC对象,客户端进程用该键值获取 IPC对象
  • 方式三: 两个进程事先约定好一个路径名和一个项目ID(0-255),通过路径名和ID调用ftok函数,将二者转换为一个唯一的键值
#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h>  key_t ftok(const char *pathname,int pro_id); pathname   -  一个真实存在的文件或者目录的路径名 pro_id     -  项目ID,低8位有效,其值域[0,255]         成功返回键值,失败返回-1      注意:起作用的是pathname参数所表示的路径,而非pathname字符串本身 

实现方式

  • 共享内存

    基本特点:
    • 两个或者更多的进程,共享同一块系统内核负责维护的内存区域,其地址空间通常被映射到堆栈之间
    • 无需复制信息(数据),最快的一种IPC机制
    • 需要考虑同步访问的问题
    • 内核为每个共享内存,维护一个shmid_ds结构体形式的共享内存对象
    #include <sys/types.h> #include <sys/shm.h>  //1.创建/获取共享内存     内核维护 int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg); /* 	A.以参数key作为键值创建共享内存,如果共享内存已经存在,则获取该共享内存 	B.size参数指定共享内存的大小(单位字节),建议取4096的整数倍 		若希望创建共享内存,则必须指定size参数 		若只是获取已有的共享内存,则size参数可以传递0 	C.参数shmflg标识 		0	-  获取,如果共享内存不存在则获取失败 		IPC_CREAT	- 创建,不存在则创建   存在则获取(除非指定IPC_EXCL) 						如果IPC_CREAT需要给定共享内存的权限(mode)   IPC_CREAT|0644 		IPC_EXCL	- 排斥,和IPC_CREAT按位域,如果共享内存已经存在则失败 	成功返回共享内存的标识,失败返回-1 */  //2.加载共享内存   将进程中的虚拟内存地址映射到共享内存中 void* shmat(int shmid,void *shmaddr,int shmflg); /* 	A.将shmid(shmget的返回值)参数所标识的共享内存,映射到调用进程的地址空间 	B.可以通过参数shmaddr(进程中的虚拟地址)人为指定映射地址,也可以将参数置为NULL,由系统自动选择 	C.参数shmflg标识: 		0	- 以读写方式使用共享内存 		SHM_RDONLY	- 以只读方式使用共享内存 		SHM_RND	- 只在shmaddr参数非NULL时才起作用,表示对shmaddr参数向下取内存页的整数倍作为映射地址 		 	成功返回映射地址,失败返回-1(0XFFFFFFF) 	 	如果加载成功,内核将该共享内存的加载计数加1(共享内存由内核维护,记录有多少个进程加载了该共享内存) */ //3.卸载共享内存 int shmdt(const void *shmaddr); /* 	将参数shmaddr所指向加载的共享内存映射从调用进程的取消映射 	成功返回0,失败返回-1 	如果卸载成功,内核会将该共享内存的加载计数减1 */  //4.销毁/控制共享内存 int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds* buf); /* 	A.参数shmid是shmget的返回值    是对shmid所标识的共享内存进行删除/获取共享内存的信息 	B.cmd取值 		IPC_STAT  -  获取共享内存的属性,通过buf参数输出 		IPC_SET   -  设置共享内存的属性,通过buf参数输入,仅三个属性可设置 				shm_perm.uid     用户ID 				shm_perm.gid     组ID 				shm_perm.mode    权限 		IPC_RMID  -  标记删除共享内存 				并非真正删除共享内存,只是做一个删除标记,禁止其被继续加载,但已有加载依然保留。 				只有当该共享内存的加载计数为0且使用IPC_RMID时才真正被删除 	成功返回0  失败返回-1 */   struct shmid_ds{ 	struct ipc_perm   shm_perm;   //所有者及权限      size_t            shm_segsz;  //共享内存大小(以字节为单位)     time_t 			  shm_atime;  //最后加载时间     time_t			  shm_dtime;  //最后卸载时间     time_t 			  shm_ctime;  //最后修改时间     pid_t 		      shm_cpid;   //创建共享内存的进程ID     pid_t             shm_lpid;   //最后加载、卸载进程的ID     shmatt_t          shm_nattch; //当前加载计数     ... };  struct ipc_perm{   	key_t		__key;   //键值     uid_t		uid;     //有效属主ID     gid_t		gid;     //有效属组ID     uid_t		cuid;    //有效创建者ID     gid_t		cgid;    //有效创建组ID     unsigned short mode; //权限     unsigned short __seq;//序列号 };  
    #ipcs -m       #查看当前系统的共享内存 #ipcrm -m shmid    #删除指定的共享内存 
  • 消息队列

    基本特点
    • 消息队列是由一个系统内核负责存储和管理,并通过消息队列标识引用的数据链表
    • 可以通过msgget函数创建一个新的消息队列 ,或者获取一个已经存在的消息队列
    • 通过msgsnd函数向消息队列的后端追加消息(需要把消息从用户空间拷贝到内核空间)
    • 通过msgrcv函数从消息队列的前端按要求提取消息(需要把消息从内核空间拷贝到用户空间)
    • 消息队列中的每个消息除了消息本身数据以外,还包含消息类型和数据长度
    • 内核为每个消息队列 ,维护一个msqid_ds结构体形式的消息队列对象
    #include <sys/msg.h>  //msgget 创建或者获取消息队列  int msgget(key_t key,int msgflg); /* 	A.该函数以参数key作为键值创建消息队列,如果存在则获取消息队列 	B.msgflg标识 		0		- 获取,不存在即失败 		IPC_CREAT	- 创建,不存在则创建,已存在则获取,除非      创建时需要给定权限 IPC|0644 		IPC_EXCL	- 排斥,创建时如果已经存在则创建失败 	成功返回消息队列标识,失败返回-1 */ //msgsnd向消息队列发送消息 int msgsnd(int msgqid,const void *msgp,size_t msgsz,int msgflg); /* 	A. msgqid 消息队列的标识  msgget函数的返回值 	B. msgp参数是一个指针,指针指向一块内存,内存中包含消息类型和消息数据 		内存中的前4/8个字节必须是一个大于0的整数,代表消息类型,其后紧跟消息数据 		消息数据的字节长度用msgsz参数表示     注意:msgsz长度并不包含消息类型4/8个字节             +------------+--------------------+     msgp--> |消息类型(>0) | 消息数据             |             +------------+--------------------+             |<-4/8Byte-> |<----msgsz--------->|      	C.若内核中消息队列缓冲区有足够的空闲空间,则此函数会将消息拷入缓冲区并立即返回0,表示发送成功,否则此函数会阻塞,直到内核中的消息队列缓冲区有足够的空闲空间为止(比如有消息被接收) 	D.若msgflg参数包含IPC_NOWAIT位,则当内核中的消息队列没有足够空闲空间时,此函数不会阻塞,而是直接返回-1,且errno设置为EAGAIN 	成功返回0  失败返回-1 */  //msgrcv 从消息队列中接收消息 ssize_t msgrcv(int msgqid,void *msgp,size_t msgsz,long msgtype,int msgflg); /* 	A.msgqid 消息队列标识,msgget函数的返回值 	B.msgp指针指向一个包含消息类型(4byte)和消息数据的内存块,用于存储消息类型和消息数据本身 	C.msgsz参数用来标明消息数据缓冲区字节大小   msgp指针指向的内存块的大小-4/8byte 	D.若所接收到的消息字节数据大于msgsz参数,即消息太长 	E.如果msgflg参数中包含MSG_NOERROR位,则消息太长会被截取msgsz字节返回,剩余部分会被丢弃 		如果msgflg参数不包含MSG_NOERROR五个,消息太长时,不会对该消息做任何处理,直接返回-1,且errno设置为E2BIG  	F.msgtype参数表示期望接收哪类消息 		msgtype = 0  - 返回消息队列中的第一条消息 		msgtype > 0  - 若msgflg参数不包含MSG_EXCEPT位,则返回消息队列中第一个类型为msgtype的消息 				   如果msgflg参数包含MSG_EXCEPT位,则返回消息队列中第一个消息类型不为msgtype的消息         msgtype < 0  - 返回消息队列中类型小于等于msgtype绝对值的消息         		   如果有多条消息满足,则返回消息类型最小的第一条消息     G.若消息队列中有可接收的消息,则此函数会将该消息移出消息队列拷贝到msgp内存中并立即返回0,表示接收成功     	如果消息队列中没有可接收的消息,则此函数会阻塞,直到消息队列中有可接收的消息为止     H.如果msgflg参数包含IPC_NOWAIT位,则当消息队列中没有可接收的消息时(没有满足要求的消息),则此函数不会阻塞,而是返回-1,设置errno为ENOMSG     成功返回所接收到消息数据的字节数,失败返回-1   */   //msgctl销毁/控制消息队列 int msgctl(int msgqid,int cmd,struct smqid_ds *buf); /* cmd的取值: 	IPC_STAT	- 获取消队列的属性,通过buf参数输出 	IPC_SET		- 设置消息队列的属性,通过buf输入 		msg_perm.uid 		msg_perm.gid 		msg_perm.mode 		msg_qbytes 	IPC_RMID	- 立即删除消息队列 		此时所有阻塞在该消息队列的,msgsnd/msgrcv函数调用都会立即返回失败,errno设置为EIDRM 	成功返回0   失败返回-1 */  struct msqid_ds{   	struct ipc_perm    msg_perm;    //权限依赖     time_t             msg_stime;   //最后发送时间     time_t             msg_rtime;   //最后接收时间     time_t             msg_ctime;   //最后修改时间     unsigned long      _msg_cbytes; //消息队列中的字节数     msgqumt_t          msg_qnum;    //消息队列中消息数     msglen_t           msg_qbytes;  //消息队列能容纳的最大字节数     pid_t              msg_lspid;   //最后发送消息进程ID     pid_t              msg_lrpid;   //最后接收消息进程ID };  struct ipc_perm{   	key_t		__key;   //键值     uid_t		uid;     //有效属主ID     gid_t		gid;     //有效属组ID     uid_t		cuid;    //有效创建者ID     gid_t		cgid;    //有效创建组ID     unsigned short mode; //权限     unsigned short __seq;//序列号 }; 
    #ipcs -q   # 查看消息队列 #ipcrm -q msqid   # 删除指定的消息队列 
  • 信号量

    基本特点
    • 本质上是用于限制对于共享资源访问的进程数量 计数器
      • 计数器如果设置为1,表示任意时刻只允许一个进程对共享资源进行访问 文件锁写锁 独占锁
    • 多个进程获取有限资源操作模式
        1. 获取控制该资源的信号量
        2. 若信号量的值大于0,则进程可以使用该资源,为了表示该进程已获得该资源,需要将信号量的值减1
        3. 若信号等于0,则该进程休眠等待资源,直到信号量的值大于0,进程被唤醒,执行1步骤
        4. 当进程不再使用该资源时,为了表示进程释放该资源,需要将信号量的值加1,正在休眠等待该资源的其它进程将会被唤醒
    • 信号量 类似于 锁
    #include <sys/sem.h>  //semget  创建/获取信号量集  信号量数组 int semget(key_t key,int nsems,int semflg); /* 	该函数是以key作为键值创建一个信号量集合(nsems参数表示集合中信号量的数量),如果是获取已经存在的信号量集合则nsems可以取0 	semflg取值: 		0 		- 获取,不存在则失败 		IPC_CREAT	- 创建,不存在则创建,存在即获取,除非IPC_EXCL 		IPC_EXCL	- 排斥,和IPC_CREAT一起使用,如果信号量集合存在则失败     成功返回信号量集合标识,失败返回-1  */ //semop 操作信号量/信号量集合 int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops); /* 	semid参数是信号量集合的标识,semget函数的返回值 	sops: 其实是一个数组的首地址   如果只有一个元素时,可以是一个元素的首地址 	nsops:数组长度 		sops数组中每个元素都是stuct sembuf的数据  执行操作如下: 			若sem_op大于0,则将其加到sem_num下标所表示的信号量的计数值上,以表示对资源的释放 			若sem_op小于0,则将其从sem_num下标所表示的信号量减去sem_op的绝对值,以表示对资源的获取 			若sem_num信号量的计数值不够减(信号量数值不能为负),则此函数会阻塞,直到该信号量够减为止,以表示对资源的等待; 			若sem_flg包含IPC_NOWAIT,则当sem_num信号量计数值不够减时,此函数不会阻塞,而是返回-1,errno设置为EAGAIN,以便在等待资源的同时还可以做其它处理 			若sem_op等于0,则直到sem_num所表示的信号量的计数值为0时才返回,除非sem_flg包含IPC_NOWAIT 	成功返回0,失败返回-1 */  struct sembuf{   	unsigned short  sem_num;    //信号量下标    下标从0开始,表示操作哪一个信号量     short           sem_op;     //操作数    1  -1     short           sem_flg;    //操作标记 };   //semctl 销毁/控制信号量集 int semctl(int semid,int semnum,int cmd); int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg); /* IPC_STAT- 获取信号量集合的属性,通过arg.buf输出 IPC_SET	- 设置信号量集合的属性,通过arg.buf输入 		sem_perm.uid 		sem_perm.gid 		sem_perm.mode IPC_RMID- 立即删除信号量集合 		此时所有阻塞在对该信号量集合的semop函数调用,都会立即返回失败,errno设置为EIDRM 		 GETALL	- 获取信号量集合中每个信号量的计数值,通过arg.array输出 SETALL	- 设置信号量集合中每个信号量的计数值,通过arg.array输入 GETVAL	- 获取信号量集合中,下标为semnum信号量的计数值,通过返回值输出 SETVAL	- 设置信号量集合中,下标为semnum信号量的计数值,通过arg.val输入  注意:只有针对信号量集合中具体某个信号量操作时,才会使用semnum参数,针对整个信号量集合操作,会忽略semnum 成功因cmd而异,失败返回-1   */   union emun{ 	int            val;     //value for SETVAL 	struct sem_ds  *buf;    //Buffer for IPC_STAT  IPC_SET 	unsigned short *array;  //Array for GETALL  SETALL 	struct seminfo *__buf;  //buffer for IPC_INFO };  struct sem_ds{     struct ipc_perm     sem_perm;   //权限     time_t              sem_otime;  //最后semop操作的时间     time_t              sem_ctime;  //最后修改时间     unsigned short      sem_nsems;  //信号量集合中信号量的数据 };  struct ipc_perm{   	key_t		__key;   //键值     uid_t		uid;     //有效属主ID     gid_t		gid;     //有效属组ID     uid_t		cuid;    //有效创建者ID     gid_t		cgid;    //有效创建组ID     unsigned short mode; //权限     unsigned short __seq;//序列号 }; 

网络进程间通信