嵌入式系统及应用Linux学习笔记(六)---进程通信
进程的通信
- fork新的进程完全复制父进程的数据，父子进程直接独立，没有影响 进程与进程间的数据空间是相互独立的
- 一个进程的代码段只能存取其自己的数据，而不能存取另一个进程的数据
- 写一个程序测试：用全局变量能否在父子进程直接传递数据？
- 定义全局变量
- 子进程对全局变量操作
- 父进程对全局
进程通信的目的
- A、数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，发送的数据量在一个字节到几M字节之间
- B、共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。
- C、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（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
- D、资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了作到这一点，需要内核提供锁和同步机制。
- E、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。
进程通信方式概览
- 早期UNIX进程间通信
- 管道、FIFO、信号
- 基于System V进程间通信
- System V， 曾经也被称为AT&T SystemV，是Unix操作系统众多版本中的一支
- System V消息队列、System V信号量、System V共享内存
- 基于POSIX进程间通信
- posix消息队列、posix信号量、posix共享内存
- 基于Socket进程间通信
POSIX & System V
- POSIX(Portable Operating System Interface)表示可移植操作系统接口。电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）最初开发POSIX 标准，是为了提高UNIX 环境下应用程序的可移植性。然而，POSIX 并不局限于UNIX，许多其它的操作系统，例如DEC Open VMS 和Microsoft
Windows，都支持POSIX 标准。 - System V， 曾经也被称为AT&T SystemV，是Unix操作系统众多版本中的一支。
进程间的通信手段
- 无名管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：无名管道仅用于具有亲缘关系进程间的通信；而有名管道除具有管道所具有的功能外，还允许无亲缘关系进程间的通信。
- 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的IPC形式，是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
- 信号（Signal）：用于通知接收进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身。
- 消息（Message）队列：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列systemV消息队列。有足够权限的进程可向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
- 套接口（Socket）：用于不同机器之间的进程间通信。
- 信号量（Semaphore）：信号量是用于解决进程的同步和相关资源抢占而设计的。即提供对共享资源的访问控制机制。
进程间通信(IPC)的方法
- 管道（文件）
- 基本原理：通过读写文件进行通信
- 管道：特殊的文件，用来通信
- 特殊之处：内存中
- 无名管道（pipe）：没有名字，使用文件描述符(整数)表示
- int pipe(int files[2]); 参数为一个整型数组
- files[0]读，files[1]写
- 有名管道（FIFO）
- 有路径，inode节点在磁盘，但并没实际分配磁盘空间
- 方式一：mkfifo("/tmp/myfifo", 0644 ); 程序中使用函数调用
- 方式二：mknod myfifo p 命令行(p参数代表FIFO文件)
- 方式三：命令 mkfifo -m 0644 /tmp/cmd_pipe
- 有路径，inode节点在磁盘，但并没实际分配磁盘空间
管道通信
- 管道是单向的、先进先出的，它把一个进程的输出和另一个进程的输入连接在一起。一个进程（写进程）在管道的尾部写入数据，另一个进程（读进程）从管道的头部读出数据。
- 数据被一个进程读出后，将被从管道中删除，其它读进程将不能再读到这些数据。管道提供了简单的流控制机制，进程试图读空管道时，进程将阻塞。同样，管道已经满时，进程再试图向管道写入数据，进程将阻塞。
无名管道示例
无名管道由pipe( )函数创建：int pipe(int fd[2])；当一个管道建立时它会创建两个文件描述符：fd[0] 用于读管道，fd[1] 用于写管道。
无名管道用于不同进程间通信。通常先创建一个管道，再通过fork函数创建一个子进程，该子进程会继承父进程所创建的管道。
必须在系统调用fork()前调用pipe()，否则子进程将不会继承文件描述符。
写有名管道示例
int main(int argc, char* argv[])
{
int fd,nwrite;
char w_buf[100];
if(argc==1)
{
printf("Please send something\n");
exit(-1);
}
fd= open("myfifo",O_RDWR|O_NONBLOCK);
if(fd==-1)
{
perror("open file error");exit(-1);
}
//用命令行参数作为写入数据
strcpy(w_buf,argv[1]);
nwrite=write(fd,w_buf,sizeof(w_buf));
printf("write %s %d to the FIFO\n",w_buf,nwrite);
close(fd);
}
- 假设我们已经创建了一个名为myfifo的有名管道（在shell下用mknod命令）
- 如果生成了有名管道，就可以用一般的文件I/O函数，如open、close、read、write等来对它进行操作
- 写2个程序：一个写管道，一个读管道
读有名管道示例
int main()
{
int fd;
int count = 1;
char cache[80];
fd =open("myfifo",O_RDONLY|O_NONBLOCK);
if(fd == -1)
{
perror("open error"); return -1;
}
while(1){
memset(cache,0, sizeof(cache));
if((read(fd,cache, 100)) == 0 ){
//如果没读到数据
printf("nodata:\n");
}
else
printf("getdata:%s\n", cache);
sleep(1); //休眠1s
}
有名管道使用注意
- FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。
- 打开时，没有O_RDWR模式，困为管道是单向传输数据的（write总是往末尾添加数据，read则总是从开头返回数据）
- 打开管道时使用O_NONBLOCK的影响
- 对一个空的、阻塞的FIFO的read调用将待，直到有数据可以读时才继续执行，与此相反，对一个空的，非阻塞的FIFO进行read调用会立即返回0。
- 如果open的时候没有指定O_NONBLOCK标志，且open的是写端时，如果不存在此FIFO的已经打开的读端时，open会一直阻塞到有FIFO的读端打开；如果已经存在此FIFO的打开的读端时，open会直接成功返回
- 打开文件默认是阻塞方式
#include 若第一个参数是一个已经存在的路径名时，会返回EEXIST错误，所以一般典型的调用代码首先会检查是否返回该错误，如果确实返回该错误，那么只要调用打开FIFO的函数就可以了
mkfifo(管道名, O_CREAT|O_EXCL) O_EXCL: 如果要创建的文件已存在，则返回 -1，并且修改 errno 的值
mode：属性
一旦创建了一个FIFO，就可用open打开它，一般的文件访问函数（close、read、write等）都可用于FIFO。
当打开FIFO时，非阻塞标志（O_NONBLOCK）将对以后的读写产生如下影响：
1、没有使用O_NONBLOCK：访问要求无法满足时进程将阻塞。如试图读取空的FIFO，将导致进程阻塞。
2、使用O_NONBLOCK：访问要求无法满足时不阻塞，立刻出错返回，errno是ENXIO。
SystemV共享内存API
shmXXX函数族来实现利用共享内存进行存储的int shmget(key_t key, size_t size, int flag);获得或得到一个共享存储标识符int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);对共享存储段执行多种操作void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);把共享内存连接到当前进程的地址空间shmdt() ： detach，分离共享内存
shmget( )
函数原型
int shmget(key_t key,int size,int shmflg);
参数含义：
系统调用shmget()中的第一个参数是关键字值。key标识共享内存的键值: 0/IPC_PRIVATE。 当key的取值为IPC_PRIVATE，则函数shmget()将创建一块新的共享内存；如果key的取值为0，而参数shmflg中又设置IPC_PRIVATE这个标志，则同样会创建一块新的共享内存。
size表示待创建的共享内存的大小shmflg：使用IPC_CREAT，则新创建一个共享的内存段，可以和IPC_EXCL一起使用。- 返回值：
- 如果成功，返回共享内存段标识符；
- 如果失败，则返回
-1
shmat( )
- 函数原型
int shmat(int shmid,char* shmaddr,int shmflg);
- 参数
- 参数shmaddr指定共享内存映射到用户空间的地址，如果为0，那么系统则自动找出一个没有映射的内存区域
- shmid指创建的某块共享内存的引用标识符
- shmflg为0
- 返回值：
- 如果成功，则返回共享内存段连接到进程中的地址
- 如果失败，则返回-1
- 内存段正确连接到进程以后，进程中就有了一个指向该内存段的指针。以后就可以使用指针来读取此内存段了。但要注意不能丢失该指针的初值。
shmdt( )
- 函数原型
int shmdt(char* shmaddr);
- 当一个进程不在需要共享的内存段时，它将会把内存段从其地址空间中脱离。但这不等于将共享内存段从系统内核中移走。
shmctl( )
- 函数调用形式：
int shmctl(int shmqid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
- cmd参数可以为下列值之一：
- IPC_STAT读取一个内存段的数据结构shmid_ds，并将它存储在buf参数指向的地址中
- IPC_SET设置内存段的数据结构shmid_ds中的元素ipc_perm的值。从参数buf中得到要设置的值。
- IPC_RMID标志内存段为移走。命令IPC_RMID并不真正从系统内核中移走共享的内存段，而是把内存段标记为可移除。
POSIX共享内存
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);
创建或打开一个共享内存,成功返回一个整数的文件描述符，错误返回-1。
1.name:共享内存区的名字；
2.oflag标志位；open的标志一样，基本标志
O_RDONLY 1 只读打开
O_WRONLY 2 只写打开
O_RDWR 4 读写打开
附加标志：还可选择以下模式与以上3种基本模式组合，如 O_RDWR|O_CREAT：
O_CREAT 0x0100 创建一个文件并打开 （ 如果指定文件不存在，则创建这个文件）
O_TRUNC 0x0200 若存在文件打开，并将文件长度设置为0，其他属性保持
O_EXCL 0x0400 如果要创建的文件已存在，则返回 -1，并且修改 errno 的值
O_APPEND 0x0800 追加打开文件
O_TEXT 0x4000 打开文本文件翻译CR-LF控制字符
O_BINARY 0x8000 打开二进制字符，不作CR-LF翻译
O_NONBLOCK 如果路径名指向 FIFO/块文件/字符文件，则把文件的打开和后继 I/O 设置为非阻塞模式（nonblocking mode）
3.mode权限位
通常用数字，如#define OPEN_MODE 0777
注意数字前有0
shm_open返回文件描述符
一个整数，标识着一个文件，文件的属性是前面open中标志位所指定的
编译时要加库文件-lrt
POSIX 的共享内存API
shm_open()：创建共享内存段或连接到现有的已命名内存段。这个系统调用返回一个文件描述符。shm_unlink()：根据（shm_open()
返回的）文件描述符，删除共享内存段。实际上，这个内存段直到访问它的所有进程都退出时才会删除，这与在 UNIX 中删除文件很相似。但是，调用
shm_unlink() （通常由原来创建共享内存段的进程调用）之后，其他进程就无法访问这个内存段了。mmap()：把共享内存段映射到进程的内存。这个系统调用需要shm_open()
返回的文件描述符，它返回指向内存的指针。（在某些情况下，还可以把一般文件或另一个设备的文件描述符映射到内存。具体方法请查阅操作系统的mmap()文档。）munmap()：作用与 mmap() 相反。msync()：用来让共享内存段与文件系统同步 — 当把文件映射到内存时，这种技术有用
内存映射mmap()
void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset )
mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存- 参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由
open()返回 len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起prot参数指定共享内存的访问权限：PROT_READ（可读） ,PROT_WRITE（可写）,PROT_EXEC（可执行）,PROT_NONE（不可访问）offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射flags通常是：MAP_SHARED或MAP_PRIVATE- 参数
addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，一般被指定一个空指针NULL，此时选择起始地址的任务留给内核来完成
mmap()
mmap()函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址
add_w = mmap(NULL, 1024, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
memcpy(add_w, "helloworld", sizeof("helloworld"));
- 文件一旦被映射后，调用mmap()的进程对返回地址的访问是对某一内存区域的访问，暂时脱离了磁盘上文件的影响。所有对mmap()返回地址空间的操作只在内存中有意义，只有在调用了munmap()后或者msync()时，才把内存中的相应内容写回磁盘文件，所写内容仍然不能超过文件的大小
mmap例—映射写
typedef struct{
char name[4];
int age;
}people;
main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem:
{
int fd,i;
people *p_map;
char temp;
fd=open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777);
p_map = (people*) mmap( NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_SHARED,fd,0 );
close( fd );
temp = 'a';
for(i=0; i<10; i++) {
temp += 1; memcpy( ( *(p_map+i) ).name, &temp,2 ); ( *(p_map+i) ).age = 20+i;
}
printf(" initialize over \n ")； sleep(10);
munmap( p_map, sizeof(people)*10 ); printf( "umap ok \n" );
}
mmap映射例—读
typedef struct{
char name[4]; int age;
}people;
main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem:
{
int fd,i;
people *p_map;
fd=open( argv[1],O_CREAT|O_RDWR,00777 );
p_map = (people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_SHARED,fd,0);
for(i = 0;i<10;i++)
{
printf( "name: %s age %d;\n",(*(p_map+i)).name, (*(p_map+i)).age );
}
munmap( p_map,sizeof(people)*10 );
}
共享内存通信
当使用完时，原来的进程调用 munmap() 和 shm_unlink()
进程间通信-共享内存
- 共享内存方式的缺点：
- 应用接口和原理很简单，内部机制复杂
- 共享内存没有提供同步的机制，要借助其他的手段（信号量）来进行进程间的同步工作
- 通过调用mmap()映射普通文件进行进程间通信时，一定要注意考虑进程何时终止对通信的影响
常见信号含义
SIGHUP：终端上发出的结束信号。
SIGINT：来自键盘的中断信号（CTRL+C），默认操作是终止当前进程的运行。
SIGQUIT：来自键盘的退出信号（CTRL +\），默认操作是将当前进程终止。
SIGFPE：浮点异常信号。
SIGKILL：该信号结束接收信号的进程。
SIGALRM：由用户调用alarm( )函数产生，默认操作是将正在执行的进程杀死掉。
SIGTERM：kill发送出的信号。
SIGCHLD：标识子进程停止或结束的信号。
SIGSTOP：键盘（CTRL+Z）或调试程序的停止信号。
发送信号
kill函数
进程通过kill函数向包括它本身在内的其他进程发送一个信号（除了root用户，kill不能向其他用户拥有的进程发送信号）
int kill(pid_t pid, int sig);
把信号sig发送给进程号为pid的进程
alarm函数
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
在seconds秒之后安排发送一个SIGALRM信号给进程
raise函数
int raise(int sig);
向进程本身发送一个sig信号；调用成功返回0；否则返回-1。
pause函数
pause 使当前进程暂停，进入睡眠状态。直到当前进程收到“任何信号”，执行相应的响应函数后，pause函数才返回：即继续往下执行
// testPause.c
#include 程序本意是想暂停1秒后输出
但执行的结果并不是，原因在于
alarm的默认处理是结束进程。
修改程序，使得程序能正常运行
tips：使用signal函数
信号的处理
收到信号后，三种处理方法：
自定义处理函数 如 signal(信号, 函数名);
忽略信号
signal(SIGINT, SIG_IGN);
但 SIGKILL和SIGSTOP不能忽略
由系统进行默认处理
signal( SIGINT, SIG_DFL);
信号的处理——signal函数示例
void ouch(int sig)
{
printf("\nOUCH! - I got signal %d\n", sig);
//恢复终端中断信号SIGINT的默认行为
signal(SIGINT, SIG_DFL);
}
int main()
{
//改变终端中断信号SIGINT的默认行为，使之执行ouch函数
//而不是终止程序的执行
signal(SIGINT, ouch);
while(1)
{
printf("Hello World!\n");
sleep(1);
}
return 0;
第一次按下终止命令（ctrl+c）时，进程并没有被终止，面是输出OUCH! - I got signal 2，因为SIGINT的默认行为被signal函数改变了，当进程接受到信号SIGINT时，它就去调用函数ouch去处理，注意ouch函数把信号SIGINT的处理方式改变成默认的方式，所以当再按一次ctrl+c时，进程就像之前那样被终止了。
结果为：
