LInux进程间通信

1 进程间通信

• 进程间通信（IPC，InterProcess Communication）
• 通信方式：
  • 管道（最简单）-- pipe
  • 信号（开销最小）–
  • 共享内存映射区（无需进程间有血缘关系）-- mmap
  • 本地套接字（最稳定）-- socket
  • 文件（已经过时），不会阻塞。

2 管道

2.1 基本概念

• 管道是一种最基本的 IPC 机制，作用于血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用 pipe 系统函数即创建一个管道。有如下特质：
  • 其本质是一个伪文件（实际是内缓冲区）；
  • 由两个文件描述符引用，一个表示读，一个表示写；
  • 规定数据从管道的写端流入，从读端流出。
• 实现原理：管道实现为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区（大小是 4k）实现。
• 管道的局限性：
  • 数据不能自己写，自己读；
  • 数据不能反复读取。一旦读取，管道中不再存在这个数据；
  • 采用半双工通信方式，数据只能单方向上流动；
  • 只能在有血缘关系的进程间通信。（因为父子进程共享文件描述符）

2.2 pipe 函数

• 函数说明:
  • int pipe(int fd[2]);
  • 参数：
    • fd[0],读端；fd[1],写端。
  • 返回值：
    • 成功，0，表示创建成功并打开；失败，-1.

2.3 管道读写行为

• 读管道行为：
  • 管道有数据，read() 返回实际读到的字节数
  • 管道无数据：
    • 无写端打开，read() 返回 0；
    • 有写端打开，read() 阻塞。
• 写管道行为：
  • 无读端。管道读端已经关闭，进程异常终止（SIGPIPE）
  • 有读端：
    • 管道已满，阻塞等待；
    • 管道未满，返回写入的字节数。

3 FIFO（有名管道）

3.1 mkfifo 函数

• 函数说明
  • int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
    • pathname: 创建的管道名称
    • mode: 0644
  • 返回值：
    • 创建成功，0；创建失败，-1.

4 存储映射I/o – mmap

• 概念：存储映射I/O(Memory-mapped I/O)使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相互映射。于是当从缓冲区中数据，就相当于读文件中的相应内容。

4.1 mmap 函数

• 函数说明：
  • void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
  • 参数说明：
    • addr: 指定映射区的首地址。通常传NULL，表示系统自动分配
    • length: 共享内存映射区的大小。<=文件大小。
    • pro: 共享内存映射区的读写属性
    • flags: 标注共享内存的共享属性。是否是共享的。MAP_SHARED、MAP_REIVATE。
    • fd: 用于创建共享内映射区的那个文件的文件描述符
    • offset: 偏移位置。必须是4k的整数倍。
  • 返回值：成功，返回内存映射区的首地址；失败，返回MAP_FAILED（(void *)-1，errno）

4.2 mmap 函数的保调用方式：

• fd = opoen(“filename”, O_REWR);
• mmap(NULL, 有效文件大小, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

4.3 父子进程使用 mmap 进程间通信

• 父进程先创建映射区。open(O_RDWR), mmap(MAP_SHARED);
• fork() 创建子进程；
• 一个进程读，另一个写。

4.4 无血缘关系的进程间 mmap 通信

• 两个进程打开同一个文件，创建映射区。
• 指定 flags 为 MAP_SHARED.
• 一个进程写，另一个进程读。

4.5 进程间通信方式 mmap 和 fifo 之间的区别

• mmap：数据可以重复读。
• fifo：数据只能读取一次。

5 信号

5.1 信号的概念

信号信息的载体，Linux/unix 环境下，古老、经典通信手段。

• 简单
• 不能携带大量信息
• 满足某种特设条件

5.2 信号机制

• 信号是软件层面的中断。一旦信号产生，无论程序执行到什么位置，应该立即停止执行，处理信号，处理结束之后再继续执行后续指令。
• 所有信号的产生和处理全部是内核完成的。

5.3 与信号相关的事件和状态

• 产生信号：
  • 按键产生，如Ctrl + c
  • 系统调用产生， kill，raise，abort
  • 软件条件产生， alarm
  • 硬件异常产生，非访问内存，除0，内存对齐错误
  • 命令产生，kill 命令
• 递达
  • 递送并且到达进程
• 未决
  • 产生和递送之的状态。主要由于阻塞（屏蔽）导致该状态。
• 信号处理方式
  • 执行默认方式
  • 忽略
  • 捕捉（调用用户处理程序）

5.4 信号四要素 和 常规信号一览

5.4.1 信号四要素

• 编号
• 名称
• 事件
• 默认处理动作

5.4.2 常规信号

• SIGHUP：当用户退出 shell 时，由该 shell 启动的所有进程将收到这个信号，默认动作为终止进程。
• SIGINT：当用户按下了 Ctrl + c 组合键时，用户终端向正在运行中的由该终端启动的程序发送次信号。默动作是终止进程。
• SIGQUIT：
• SIGILL：
• SIGTRAP：
• SIGABRT：

5.4.3 信号机操作函数

• sigset_t set;
• sigemptyset(sigset_t *set); 清空set
• sigfillset(sigset_t *set); 全部置1
• sigaddset(sigset_t *set, int signum); 讲一个信号添加到集合中
• sigdelset(sigset_t *set, int signum); 讲一个信号从集合中移除
• sigismember(const sigset_t *set, int signum); 判断一个信号是否在集合中。在，返回1；不在，返回0

5.4.4 设置和解除信号屏蔽字

• int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);
• 参数说明：
  • how:
    • SIG_BLOCK：设置阻塞
    • SIG_UNBLOCK：取消阻塞
    • IBG_SETMASK：用自定义 set 替换 mask
  • set: 自定义 set
  • oldset: 旧的 mask

5.4.5 查看未决信号集

• int sigpengding(sigset_t *set);

5.4.6 函数捕捉

signal 和 sigaction 的作用就是注册一个捕捉函数

signal 函数

• sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
• sighandler_t void (*sighandler_t)(int)

sigaction 函数

• int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
• 参数说明：
• signum: 捕获的信号num
• act：

    struct sigaction {
       void     (*sa_handler)(int);   // 函数指针函数
       void     (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
       sigset_t   sa_mask;
       int        sa_flags;
       void     (*sa_restorer)(void);
    };

函数捕捉特性

1. 进程正常运行时，默认PCB中有一个信号屏蔽字 mask，它决定了进程自动屏蔽哪些信号。当注册了某个信号捕捉函数，捕捉到该信号以后，要调用该函数。而该函数有可能执行很长时间，在这期间所有的屏蔽信号不由 mask 决定。而是 sa_mask 来制定。调用完处理函数，再恢复为 mask。
2. xxx 信号捕捉函数执行期间，xxx 信号自动被屏蔽。
3. 阻塞的常规信号不支持排队，产生多次只记录一次。（后 32 个实时信号支持排队）

5.4.7 信号例子

#include 
#include 
#include 

void sys_err(const char *str) {
    perror(str);
    exit(1);
}

void catch_child(int signo) {
    pid_t wpid;
    int status;

    while ((wpid = waitpid(-1, &status, 0) != -1)) {
        if (WIFEXITED(status)) {
            std::cout << "catch child SIGCHLD, pid = " << wpid << ". ret = " << WEXITSTATUS(status) << std::endl;
        }
    }
    return;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    pid_t pid;
    int i;
    for (i = 0; i < 15; i++) {
        if ((pid = fork()) == 0) {              // 创建多个子进程
            break;
        }
    }

    if (15 == i) {
        struct sigaction act;
        act.sa_handler = catch_child;           // 设置回调函数
        act.sa_flags = 0;                       // 设置默认值，本信号自动屏蔽
        sigemptyset(&act.sa_mask);              // 设置捕捉函数执行期间屏蔽字
        sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);         // 注册捕捉函数

        std::cout << "This is parent, pid = " << getpid() << std::endl;
        while (1);
    } else {
        std::cout << "This is child, pid = " << getpid() << std::endl;
        return i;
    }
    return 0;
}