程序员成长之旅——进程间通信（IPC）

pipe/msgqueue/sems/shm代码及总结

再讲进程间通信的方式之前，我们首先要知道为啥要存在进程间的通信以及其目的。
存在进程间通信的理由：

进程之间具有独立性，无法直接沟通，所以需要操作系统提供公共的媒介，也就是让进程看到同一份资源。

进程间通信的四个目的：

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
资源共享：多个进程之间共享同样的资源
通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它们发生了某种事件(比如进程终止的时候要告诉父进程)
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行(如debug进程)，此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

管道

什么是管道
管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。我们把从一个进程连接到另一个进程的数据流称之为一个“管道”。
管道的分类
管道可以分为匿名管道和命名管道
1.匿名管道
匿名管道所需要的函数

#include
int pipe(int fd[2])
//功能：创建一个无名管道

参数：
fd:文件描述符数组，其中fd[0]表示读端，fd[1]表示写端
返回值：成功返回0，失败返回错误代码
代码实现
简单的键盘读取数据写入管道读取管道写到屏幕的操作

#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
  int fds[2];
  char buf[100] = {0};
  int len;
  if(pipe(fds) == -1){
    perror("pipe()");
    exit(1);
  }
  //read from stdin
  while(fgets(buf,100,stdin)){
    len = strlen(buf);
    //write to pipe
    if(write(fds[1],buf,len) != len){
      perror("write to pipe");
      break;
    }
    memset(buf,0x00,sizeof(buf));
    //read from pipe
    if((len = read(fds[0],buf,len)) == -1){
      perror("read from pipe");
      break;
    }

    //write to stdout
    if(write(1,buf,len) != len){
      perror("write to stdout");
      break;
    }
  }
}

匿名管道读写规则

当没有数据可读时
O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。
当管道满的时候
O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN
如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0
如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出
当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
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。

匿名管道特点
只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。管道提供流式服务一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道
2.命名管道
命名管道的引入

由于匿名管道的限制是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。命名管道是一种特殊类型的文件，可以实现没有亲缘关系的进程之间的数据交换。

命名管道的创建
1.可以使用命令创建

mkfifo fifo

2.函数创建

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

参数：
参数1表示创建文件的名字，参数2代表创建的文件的参数设置。
返回值：
创建成功返回0，创建失败返回-1

匿名管道和命名管道的区别

匿名管道由pipe函数创建并打开。命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

命名管道的打开规则

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回成功
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO

简单的代码实现

//server.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define ERR_EXIT(m) do{\
perror(m);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main()
{
  umask(0);
  if(mkfifo("mypipe",00644) < 0){
    ERR_EXIT("mkfifo");
  }
  int rfd = open("mypipe",O_RDONLY);
  if(rfd < 0){
    ERR_EXIT("open");
  }
  char buf[1024];
  while(1){
    buf[0] = 0;
    printf("please wait...\n");
    ssize_t ret = read(rfd,buf,sizeof(buf)-1);
    if(ret > 0){
      buf[ret - 1] = 0;
      printf("client say#%s\n:",buf);
    }else if(ret == 0){
      printf("client quit,exit now\n");
      exit(EXIT_SUCCESS);
    }else{
      ERR_EXIT("read");
    }
  }
  close(rfd);
  return 0;
}
//client.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define ERR_EXIT(m) do\
{\
perror(m);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main()
{
  int wfd = open("mypipe",O_WRONLY);
  if(wfd < 0){
    ERR_EXIT("open");
  }
  char buf[1024];
  while(1){
    buf[0] = 0;
    printf("please enter# ");
    fflush(stdout);
    ssize_t ret = read(0,buf,sizeof(buf)-1);
    if(ret>0){
      buf[ret] = 0;
      write(wfd, buf, strlen(buf));
    }else if(ret <= 0){
      ERR_EXIT("read");
    }
  }
  close(wfd);
  return 0;
}

分析代码可知代码实现得是，server.c先创建命名管道“mypipe”然后等待client.c将数据输入到管道中，然后server.c将管道中的内容读出来。由于server.c 和client.c分别是一个代码所以它们两个中间不存在亲缘关系，这样就实现了不具有前缘关系的两个进程之间的数据交换。

消息队列

1.消息队列提供了一个从一个进程向另一个进程发送一块数据的方法；
2.每个数据块都被认为是有一个类型，接受者进程接收的数据块可以有不同的类型值；
3.特性方面：IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以system V IPC资源的生命周期随内核
参考链接

信号量

信号量是描述临界资源当中的资源数目的，信号量本质是一个计数器。

共享内存

参考链接

练习ipcs -q/m/s于ipcrm -q/m/s的使用，并总结

ipcs -q 列出所有的消息队列

ipcs -m列出所有的共享内存

ipcs -s列出所有的信号量

ipcrm -q 删除指定的消息队列

ipcrm -m删除指定的共享内存

ipcrm -s删除指定的信号量

将二元信号量P/V操作，封装成动态/静态库，并分别使用并测试

二元信号量的P/V操作实现
动静态库打包

调研同步与互斥概念原理，了解生产者消费者原理。

同步：是指多个进程需要相互配合共同完成一项任务
互斥：同一时间只有一个进程访问资源，保证安全性
临界资源：多进程共享的资源
临界区：访问临界资源的代码
参考链接