进程间通信
进程间的通信
- 初级介绍
- 进程间通信（IPC，InterProcess Communication）[^1]
-
- IPC现在主要的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。
- 一、管道
- 二、FIFO
- 三、消息队列
-
- 关于key值的获取
- 四、共享内存
- 五、信号（signal）[^2]
-
- 信号处理函数的注册
- 六、信号量
初级介绍
比如手机上的微信跟别人手机上的微信聊天，它通信的方式是基于网络的
1、无名管道
- 只能单向操作
- 只能父子进程操作
- pipe(fd);
- 父进程关读端close(fd[0]);，写入数据 fd[1]，子进程关写端close(fd[1]);，读出数据 fd[0]
- 读取的数据，被读到后，管道中就没有内容了
2、命名管道
- 只能单向操作
- 创建一个FIFO文件管道，独立于进程存在
- 能单独多个进程对其操作，需要做定向的单选操作
- 只读打开FIFO文件，没有内容进程就阻塞，等待只写打开FIFO文件进程，写入数据，只读进程才能读到数据
- 读取的数据，被读到后，管道中就没有内容了
关写端-读取
关读端-写入
关写端-读取
关读端-写入
父进程
数据
子进程
3、消息队列
- 可以双向操作，都可以往里放，也都可以拿
- 在内核中创建一个链表的队列
- 可以根据索引key值，ID号来找消息队列
- 要有types类型，mtext内容的结构体
- 把结构体放入消息队列
- 当在消息队列中去拿匹配的类型的内容没有时，就会阻塞，等待写入后在拿
- 消息队列跟进程来说是相互独立的
- 在不清除msgctl();消息队列的情况下，消息队列里面的信息可以一直存在，但会有内核来管理
- 容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题
4、共享内存
- 可以多个进共同操作给定的内存空间
- 创建共享内存/打开
- 映射——让进程跟这个内存链接
- 增删改查内存中的数据
- 释放共享内存——断开共享内存的链接
- 删掉共享内存
5、信号
- 通过接受信号来执行动作
- 能发送数据
- 只能单向联系
- 字符串只能父子进程，共享内存间发送
6、信号量
- 管理临界资源
- 对多个进程都要访问的资源进行管理，A访问资源，B阻塞等待
- 信号量集管理
- P操作——拿锁
- V操作——放锁
目的介绍：
进程A，进程B之间应该建立一个特殊的通道，进程A能往里写数据，进程B能读里面的数据，进程B能往里面写数据，进程A能读里面的数据，让它们之间实现真正的数据交互
进程A，进程B放在一台PC就是单机通信，如果进程B放在另一台PC那就的多机之间的进间通信，而它们之间就是通过网来通信的
父子进程的基础版本进程间通信：
-
父进程运行到某个位置，创建一个子进程，子进程有它的数据空间，父进程，子进程的数据空间是相互独立的。
-
相互之间父进程不能读取到子进程的数据，子进程也不能读到父进程的数据，它们之间缺少一种方式沟通。
残疾的通信方式：
-
子进程调用exit(0);退出，父进程调用wait(&status);来等待子进程运行结束，在获取子进程的退出码，这也算一种意义上进程间的通信。只不过这种进程间同信在运行中间的意义不大，因为这也只有exit函数把退出码返回发给父进程而已。
-
exec族函数也可以做到用A进程启动一个B进程，A就不运行，也可以实现简陋基础的信息沟通
这两个方法都是基于fork，exec来实现的，这些方式都相对于真正意义上的通信比较残疾，而真正能很好实现进程间通信的技术是IPC。
进程间通信（IPC，InterProcess Communication）1
是指在不同进程之间传播或交换信息
IPC现在主要的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。
以前，UNIX系统IPC是各种进程通信方式的统称，但是其中极少能在所有UNIX系统实现中进行移植，随着POSIX和Open Group（以前的X/Open）标准化的推进和影响的扩大，情况虽已得到改善，但差别仍然存在。
| IPC类型 | SUS | FreeBSD 5.2.1 | Linux 2.4.22 | Mac OS X 10.3 | Solaris 9 |
|---|---|---|---|---|---|
| 半双工管道 | · | （全） | · | · | （全） |
| FIFO | · | · | · | · | · |
| 全双工管道 | 允许 | ·,UDS | opt,UDS | UDS | ·,UDS |
| 命名全双工管道 | XSI可选 | UDS | opt,UDS | UDS | ·,UDS |
| 消息队列 | XSI | · | · | · | |
| 信号量 | XSI | · | · | · | · |
| 共享存储 | XSI | · | · | · | · |
| 套接字 | · | · | · | · | · |
| STREAMS | XSI可选 | opt |
-
管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储都是基于单机的通信
-
Socket、Streams是基于网络的通信
以Linux中的C语言编程为例。
一、管道
管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。
1、特点：
- 它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。
- 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
- 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。
- 管道中的数据读取后就没有了，管道中不存储数据。
2、原型：
#include
int pipe(int fd[2]); // 返回值：若成功返回0，失败返回-1
当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图：
要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。
read(fd[0], readBuf, 1024)
write(fd[1], readBuf, 1024)
3、例子
单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以，通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示：
若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反之，则可以使数据流从子进程流向父进程。
示例代码：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{
int fd[2]; // 两个文件描述符
pid_t pid;
char buff[20];
if(pipe(fd) < 0) // 创建管道
printf("Create Pipe Error!\n");
if((pid = fork()) < 0) // 创建子进程
printf("Fork Error!\n");
else if(pid > 0) // 父进程
{
close(fd[0]); // 关闭读端
write(fd[1], "hello world\n", 12);
}
else
{
close(fd[1]); // 关闭写端
read(fd[0], buff, 20);
printf("%s", buff);
}
return 0;
}
无名管道阻塞案例：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
//int pipe(int pipefd[2]);
int main()
{
int fd[2];
pid_t pid;
char buf[128];
if(pipe(fd) == -1){
printf("creat pipe failed!\n");
}
pid = fork();
if(pid < 0){
printf("creat child failed!\n");
}else if(pid > 0){
sleep(3);
printf("this is father\n");
close(fd[0]);
write(fd[1], "hello from father!", strlen("hello from father!"));
wait(NULL);
}
else{
printf("this is child\n");
close(fd[1]);
read(fd[0], buf, 128);
printf("read from father:%s\n",buf);
exit(0);
}
return 0;
}
- 当父进程开始是睡3秒，没有给管道中写入数据时，子进程就会阻塞在读取那，等父进程写入管道内容后，子进程才继续读取管道中的内容
- 一般无名管道一旦确定了流向，后面都不会对其做更改，不会在运行过程中在改变流向
二、FIFO
FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。
- 特点
1. FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
2. FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。 - 原型
#include
// 返回值：成功返回0，出错返回-1
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
其中的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件I/O函数操作它。
当 open 一个FIFO时，是否设置非阻塞标志（O_NONBLOCK）的区别：
-
若没有指定O_NONBLOCK（默认），只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。
-
若指定了O_NONBLOCK，则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO，其errno置ENXIO。
创建FIFO管道：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main()
{
mkfifo("./file",0600);
return 0;
}
判断要创建的FIFO文件存在的代码优化：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main()
{
int ret = mkfifo("./file",0600);
if(ret == 0){
printf("mkfifo suscceess\n");
}
if(ret == -1){
printf("mkfifo failuer\n");
perror("why");
}
return 0;
}
判断优化：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main()
{
if((mkfifo("./file",0600) == -1) && errno == EEXIST ){
printf("mkfifo failuer\n");
perror("why");
}
else{
if(errno == EEXIST){
printf("This file exists!\n");
}else{
printf("mkfifo suscceess\n");
}
}
return 0;
}
只读打开：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main()
{
if((mkfifo("./file",0600) == -1) && errno != EEXIST ){
printf("mkfifo failuer\n");
perror("why");
}
int fd = open("./file",O_RDONLY);
printf("open success\n");
close(fd);
return 0;
}
这样打开FIFO管道文件后，下一行open success不会执行，管道会阻塞，要有另一个程序以只写入的方式打开，才会接着执行
只写打开：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main()
{
int fd = open("./file",O_WRONLY);
printf("write open success\n");
close(fd);
return 0;
}
当只读打开FIFO文件程序运行后，只写打开FIFO文件程序在运行后，只读打开FIFO文件程序才会从阻塞状态中结束后接着运行
只读方式打开FIFO文件：
gcc read.c -o read
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main()
{
char buf[30] = {0};
if((mkfifo("./file",0600) == -1) && errno != EEXIST ){
printf("mkfifo failuer\n");
perror("why");
}
int fd = open("./file",O_RDONLY);
printf("open success\n");
int n_read = 0;
int cnt = 0;
while(1){
n_read = read(fd, buf, 30);
printf("read %d byte from fifo, context = %s\n",n_read,buf);
if(cnt == 5){
break;
}
cnt++;
}
close(fd);
return 0;
}
只写方式打开FIFO文件：
gcc write.c -o write
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main()
{
int cnt = 0;
char *str = "message from fifo!";
int fd = open("./file",O_WRONLY);
printf("write open success\n");
while(1){
write(fd, str, strlen(str));
sleep(1);
if(cnt == 5){
break;
}
cnt++;
}
close(fd);
return 0;
}
这样就完成了基本的单向进程间的通信了
上述例子可以扩展成 客户进程—服务器进程 通信的实例，write_fifo的作用类似于客户端，可以打开多个客户端向一个服务器发送请求信息，read_fifo类似于服务器，它适时监控着FIFO的读端，当有数据时，读出并进行处理，但是有一个关键的问题是，每一个客户端必须预先知道服务器提供的FIFO接口，下图显示了这种安排：
三、消息队列
消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。
可以做到进程间的相互发信息，而前面的无名，有名双工管道FIFO只能做单向操作。
1、特点
- 消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
- 消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
- 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。
操作思维示意：
A进程，B进程可以在linux内核中的链表消息队列中随意插入，读取数据
读取
写入
读取
写入
A进程
头数据
数据
数据
数据
数据
数据
B进程
2、原型
#include
// 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
int msgget(key_t key, int flag);
// 添加消息：成功返回0，失败返回-1
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
// 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
// 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
在以下两种情况下，msgget将创建一个新的消息队列：
- 如果没有与键值key相对应的消息队列，并且flag中包含了IPC_CREAT标志位。
- key参数为IPC_PRIVATE。
函数msgrcv在读取消息队列时，type参数有下面几种情况：
- type == 0，返回队列中的第一个消息；
- type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息；
- type < 0，返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息，如果有多个，则取类型值最小的消息。
可以看出，type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值。（其他的参数解释，请自行Google之）
3、例子
服务端程序一直在等待特定类型的消息，当收到该类型的消息以后，发送另一种特定类型的消息作为反馈，客户端读取该反馈并打印出来。
开始接收信息端：
gcc msgGet.c -o get
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}Msg;
int main()
{
//获取
Msg readBuf;
int msgId = msgget(0x1234, IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("get que failuer\n");
}
msgrcv(msgId, &readBuf, sizeof(readBuf.mtext), 888, 0);
printf("read from que:%s\n",readBuf.mtext);
Msg sendBuf = {988, "thank you for reach"};
msgsnd(msgId, &sendBuf, strlen(sendBuf.mtext), 0);
return 0;
}
开始发送信息端：
gcc msgSend.c -o send
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}Msg;
int main()
{
//获取
Msg sendBuf = {888, "this is message from quen"};
int msgId = msgget(0x1234, IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("get que failuer\n");
}
msgsnd(msgId, &sendBuf, strlen(sendBuf.mtext), 0);
Msg readBuf;
msgrcv(msgId, &readBuf, sizeof(readBuf.mtext), 988, 0);
printf("reaturn from get:%s\n",readBuf.mtext);
return 0;
}
这样就基本完成了进程间通信，而且这两个进程跟消息队列是相互隔离的
关于key值的获取
头文件：
#include
#include
函数原型：
key_t ftok( const char * fname, int id )
fname就是你指定的文件名（已经存在的文件名），一般使用当前目录，如：
key_t key;
key = ftok(".", 1); 这样就是将fname设为当前目录。
id是子序号。虽然是int类型，但是只使用8bits(1-255）。
在一般的UNIX实现中，是将文件的索引节点号取出，前面加上子序号得到key_t的返回值。
如指定文件的索引节点号为65538，换算成16进制为0x010002，而你指定的ID值为38，换算成16进制为0x26，则最后的key_t返回值为0x26010002。
查询文件索引节点号的方法是： ls -i
当删除重建文件后，索引节点号由操作系统根据当时文件系统的使用情况分配，因此与原来不同，所以得到的索引节点号也不同。
如果要确保key_t值不变，要么确保ftok的文件不被删除，要么不用ftok，指定一个固定的key_t值，比如:
#define IPCKEY 0x111
char path[256];
sprintf( path, “%s/etc/config.ini”, (char*)getenv(“HOME”) );
msgid=ftok( path, IPCKEY );[/code]
同一段程序，用于保证两个不同用户下的两组相同程序获得互不干扰的IPC键值。
由于etc/config.ini（假定）为应用系统的关键配置文件，因此不存在被轻易删除的问题——即使被删，也会很快被发现并重建（此时应用系统也将被重启）。
ftok()的设计目的也在于此。
换索引减值key后的代码：
gcc msgGet.c -o get
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}Msg;
int main()
{
//获取
Msg readBuf;
key_t key;
key = ftok(".",'z');
printf("key = %x\n",key);//以16进制打出来
int msgId = msgget(key, IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("get que failuer\n");
}
msgrcv(msgId, &readBuf, sizeof(readBuf.mtext), 888, 0);
printf("read from que:%s\n",readBuf.mtext);
Msg sendBuf = {988, "thank you for reach"};
msgsnd(msgId, &sendBuf, strlen(sendBuf.mtext), 0);
return 0;
}
gcc msgSend.c -o send
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}Msg;
int main()
{
//获取
Msg sendBuf = {888, "this is message from quen"};
key_t key;
key = ftok(".",'z');
printf("key = %x\n",key);//以16进制打出来
int msgId = msgget(key, IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("get que failuer\n");
}
msgsnd(msgId, &sendBuf, strlen(sendBuf.mtext), 0);
Msg readBuf;
msgrcv(msgId, &readBuf, sizeof(readBuf.mtext), 988, 0);
printf("reaturn from get:%s\n",readBuf.mtext);
return 0;
}
运行结果：
加了关闭消息队列的代码：
gcc msgGet.c -o get
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}Msg;
int main()
{
//获取
Msg readBuf;
key_t key;
key = ftok(".",'z');
printf("key = %x\n",key);//以16进制打出来
int msgId = msgget(key, IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("get que failuer\n");
}
msgrcv(msgId, &readBuf, sizeof(readBuf.mtext), 888, 0);//读数据
printf("read from que:%s\n",readBuf.mtext);
Msg sendBuf = {988, "thank you for reach"};
msgsnd(msgId, &sendBuf, strlen(sendBuf.mtext), 0);//发数据
msgctl(msgId, IPC_RMID, NULL);//控制关闭消息队列
return 0;
}
gcc msgSend.c -o send
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
typedef struct msgbuf {
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
}Msg;
int main()
{
//获取
Msg sendBuf = {888, "this is message from quen"};
key_t key;
key = ftok(".",'z');
printf("key = %x\n",key);//以16进制打出来
int msgId = msgget(key, IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("get que failuer\n");
}
msgsnd(msgId, &sendBuf, strlen(sendBuf.mtext), 0);//发数据
printf("send ovre!\n");
Msg readBuf;
msgrcv(msgId, &readBuf, sizeof(readBuf.mtext), 988, 0);//读数据
printf("reaturn from get:%s\n",readBuf.mtext);
msgctl(msgId, IPC_RMID, NULL);//控制关闭消息队列
return 0;
}
IPC_RMID 关闭内核中msgId的ID消息队列
四、共享内存
共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。
1、特点
- 共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
- 因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
- 信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。
2、原型
#include
// 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void *addr);
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
-
当用shmget函数创建一段共享内存时，必须指定其 size；而如果引用一个已存在的共享内存，则将 size 指定为0 。
-
当一段共享内存被创建以后，它并不能被任何进程访问。必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问。
-
shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的。注意，这并不是从系统中删除该共享内存，只是当前进程不能再访问该共享内存而已。
-
shmctl函数可以对共享内存执行多种操作，根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID（从系统中删除该共享内存）。
共享内存使用案例：
写入共享内存
gcc shmw.c -o w
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
//int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); //删除共享内存
//void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); //把共享内存映射到进程
//int shmdt(const void *shmaddr); //释放掉共享内存，就把进程里连接共享内存的连接断开，但系统中共享内存还在
//int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); //删除系统中的共享内存
int main()
{
int shmid;
char *shmaddr;
key_t key;
key = ftok(".", 1);
shmid = shmget(key, 1024*4, IPC_CREAT|0666); //创建/打开共享内存
if(shmid == -1){
printf("shmget no ok!\n");
exit(-1);
}
shmaddr = shmat(shmid, 0, 0); //挂载共享内存
printf("shmat ok!\n");
strcpy(shmaddr, "yangyingchu"); //操作共享内存，写入共享内存数据
sleep(5); //等待时间，等待其它进程把数据读走
shmdt(shmaddr); //断开共享内存的连接
shmctl(shmid, IPC_RMID, 0); //删除共享内存
printf("quit\n");
return 0;
}
读取共享内存数据
gcc shmr.c -o r
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
//int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); //删除共享内存
//void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); //把共享内存映射到进程
//int shmdt(const void *shmaddr); //释放掉共享内存，就把进程里连接共享内存的连接断开，但系统中共享内存还在
//int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); //删除系统中的共享内存
int main()
{
int shmid;
char *shmaddr;
key_t key;
key = ftok(".", 1);
shmid = shmget(key, 1024*4, 0); //创建/打开共享内存
if(shmid == -1){
printf("shmget no ok!\n");
exit(-1);
}
shmaddr = shmat(shmid, 0, 0); //挂载共享内存
printf("shmat ok!\n");
printf("data: %s",shmaddr); //操作共享内存，读共享内存数据
shmdt(shmaddr); //断开共享内存的连接
printf("quit\n");
return 0;
}
ipcs -m
查看系统中的共享内存
ipcrm -m 32782
删除系统中共享内存ID为32782的共享内存
五、信号（signal）2
对于 Linux来说，实际信号是软中断，许多重要的程序都需要处理信号。信号，为 Linux 提供了一种处理异步事件的方法。比如，终端用户输入了 ctrl+c 来中断程序，会通过信号机制停止一个程序。
- 信号的名字和编号：
- 每个信号都有一个名字和编号，这些名字都以“SIG”开头，例如“SIGIO ”、“SIGCHLD”等等。
- 信号定义在signal.h头文件中，信号名都定义为正整数。
- 具体的信号名称可以使用kill -l来查看信号的名字以及序号，信号是从1开始编号的，不存在0号信号。kill对于信号0又特殊的应用。
-
信号的处理：
信号的处理有三种方法，分别是：忽略、捕捉和默认动作- 忽略信号，大多数信号可以使用这个方式来处理，但是有两种信号不能被忽略（分别是 SIGKILL和SIGSTOP）。因为他们向内核和超级用户提供了进程终止和停止的可靠方法，如果忽略了，那么这个进程就变成了没人能管理的的进程，显然是内核设计者不希望看到的场景
- 捕捉信号，需要告诉内核，用户希望如何处理某一种信号，说白了就是写一个信号处理函数，然后将这个函数告诉内核。当该信号产生时，由内核来调用用户自定义的函数，以此来实现某种信号的处理。
- 系统默认动作，对于每个信号来说，系统都对应由默认的处理动作，当发生了该信号，系统会自动执行。不过，对系统来说，大部分的处理方式都比较粗暴，就是直接杀死该进程。
具体的信号默认动作可以使用man 7 signal来查看系统的具体定义。在此，我就不详细展开了，需要查看的，可以自行查看。也可以参考 《UNIX 环境高级编程（第三部）》的 P251——P256中间对于每个信号有详细的说明。
信号使用：
其实对于常用的 kill 命令就是一个发送信号的工具，kill 9 PID来杀死进程。比如，我在后台运行了一个 top 工具，通过 ps 命令可以查看他的 PID，通过 kill 9 来发送了一个终止进程的信号来结束了 top 进程。如果查看信号编号和名称，可以发现9对应的是 9) SIGKILL，正是杀死该进程的信号。而以下的执行过程实际也就是执行了9号信号的默认动作——杀死进程。
kill -9 ID
kill -SIGKILL ID
对于信号来说，最大的意义不是为了杀死进程，而是为了实现一些异步通讯的手段，即信号的三种使用方法中的捕捉信号
总结：
-
信号对linux系统来说是一个很重要的异步通信的方法
-
比如按 ctrl+c 能来中段程序，就是发送了一个信号
-
kill -l 来查看系统中的信号
-
信号一般的处理方式为：忽略、捕捉和默认动作
- 忽略就是收到信号不管它
- 捕捉是根据相对应配置的函数处理信号
- 默认动作是根据shll指令调用系统默认的处理方式处理信号
-
SIGKILL和SIGSTOP这两个信号不能被忽略
-
kill -9 ID、kill -SIGKILL ID来操控信号
信号处理函数的注册
入门版：函数signal
高级版：函数sigaction
信号处理发送函数：
1.入门版：kill
2.高级版：sigqueue
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
//typedef void (*sighandler_t)(int);
//sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
void handler(int signum)
{
printf("get signum= %d\n",signum);
printf("never quit\n");
}
int main()
{
signal(SIGINT, handler); // 当接收到 ctrl+c 信号后传给 handler 函数处理
while(1);
return 0;
}
此进程用 Ctrl + C 不能终止要用 kill -9 ID 来杀死进程
处理其它信号：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
//typedef void (*sighandler_t)(int);
//sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
void handler(int signum)
{
printf("get signum= %d\n",signum);
switch(signum){
case 2:
printf("SIGINT\n"); //处理Ctrl+C指令
break;
case 9:
printf("SIGKILL\n"); //处理不了，系统会规避
break;
case 10:
printf("SIGUSR1\n");
break;
}
printf("never quit\n");
}
int main()
{
signal(SIGINT, handler); // 捕捉ctrl+c信号
signal(SIGKILL, handler); //捕捉kill指令信号
signal(SIGUSR1, handler); //发指令 kill -10 ID
while(1);
return 0;
}
用程序捕捉信号，执行信号动作
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
//int kill(pid_t pid, int sig);
int main(int argc, char **argv)
{
int signum;
int pid;
signum = atoi(argv[1]);
pid = atoi(argv[2]);
kill(pid, signum);
printf("signum kill ok!\n");
return 0;
}
用system函数执行：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
//int kill(pid_t pid, int sig);
int main(int argc, char **argv)
{
int signum;
int pid;
char cmd[128] = {0};
signum = atoi(argv[1]);
pid = atoi(argv[2]);
sprintf(cmd, "kill -%d %d",signum, pid); //配置指令
system(cmd); //执行指令
printf("signum kill ok!\n");
return 0;
}
忽略信号：
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
//typedef void (*sighandler_t)(int);
//sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
void handler(int signum)
{
printf("get signum= %d\n",signum);
switch(signum){
case 2:
printf("SIGINT\n");
break;
case 9:
printf("SIGKILL\n");
break;
case 10:
printf("SIGUSR1\n");
break;
}
printf("never quit\n");
}
int main()
{
signal(SIGINT, SIG_IGN); // 捕捉 ctrl+c信号
signal(SIGKILL, handler);
signal(SIGUSR1, handler);
while(1);
return 0;
}
SIG_IGN 忽略信号
初级：
发信号：kill函数
控制：signal函数
重点放在了动作上
高级版：
发信号：sigqueue函数
控制：sigaction函数
用什么发
怎么放入消息
怎么绑定函数
如何读出数据
信号
携带操作信息
忽略信号
能够额外接收数据
结构体
谁发的
想要的数据
想要的结构体数据
结构体数据
结构体数据
指针为空
指针为非空
处理信号时阻塞的作用
收数据指定SA_SIGINFO
备份原有的信号操作不用可以写NULL
发信号
sigqueue
谁
信号动作
消息
int
char
收信号
sigaction
int signum
struct sigaction *act
*p1
*p2
num
siginfo_t
pid
si_int
si_value
int
char *p
*p
无数据
有数据
mask
int flags
struct sigaction *oldact
sigqueue 的发送函数原型：
#include
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
union sigval {
int sival_int;
void *sival_ptr;
};
sigaction 的处理函数原型：
#include
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); //信号处理程序，不接受额外数据，SIG_IGN 为忽略，SIG_DFL 为默认动作
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信号处理程序，能够接受额外数据和sigqueue配合使用
sigset_t sa_mask;//阻塞关键字的信号集，可以再调用捕捉函数之前，把信号添加到信号阻塞字，信号捕捉函数返回之前恢复为原先的值。
int sa_flags;//影响信号的行为SA_SIGINFO表示能够接受数据
};
//回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一
siginfo_t 结构体：
siginfo_t {
int si_signo; /* Signal number */
int si_errno; /* An errno value */
int si_code; /* Signal code */
int si_trapno; /* Trap number that caused
hardware-generated signal
(unused on most architectures) */
pid_t si_pid; /* Sending process ID */
uid_t si_uid; /* Real user ID of sending process */
int si_status; /* Exit value or signal */
clock_t si_utime; /* User time consumed */
clock_t si_stime; /* System time consumed */
sigval_t si_value; /* Signal value */
int si_int; /* POSIX.1b signal */
void *si_ptr; /* POSIX.1b signal */
int si_overrun; /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
int si_timerid; /* Timer ID; POSIX.1b timers */
void *si_addr; /* Memory location which caused fault */
int si_band; /* Band event */
int si_fd; /* File descriptor */
}
si_value结构体：
#include
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
union sigval {
int sival_int;
void *sival_ptr;
};
信号携带信息：
发整数
接收读端：
gcc new.c -o new
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
//void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
void handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
{
printf("get signum %d\n",signum);
if(context != NULL){
printf("get data = %d\n",info->si_int);
printf("get data = %d\n",info->si_value.sival_int);
printf("get from pid = %d\n",info->si_pid);
}
}
int main()
{
struct sigaction act;
printf("pid = %d\n",getpid());
act.sa_sigaction = handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO; //be able to get message
sigaction(SIGUSR1, &act, NULL);
while(1);
return 0;
}
发信息端：
gcc send.c -o send
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
int main(int argc, char **argv)
{
int signum = atoi(argv[1]);
int pid = atoi(argv[2]);
union sigval value;
value.sival_int = 100;
sigqueue(pid, signum, value);
printf("pid = %d done!\n",getpid());
return 0;
}
发送字符串：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>
void sig_action(int signo, siginfo_t *info, void *addr)
{
if (signo == SIGUSR1)
printf ("the signo is : SIGUSR1 \n");
printf("%s\n", (char*)info->si_value.sival_ptr); //打印随着信号一起传递过来的字符串
}
int main(int argc, char* const argv[])
{
struct sigaction act;
act.sa_sigaction = sig_action; //定义接受信号的处理函数
act.sa_flags = SA_SIGINFO; //设置该参数表示可以接收额外的参数；
sigaction(SIGUSR1, &act, NULL); //这个是信号的接受函数
pid_t pid;
if ((pid = fork()) == -1)
printf ("fault fork \n");
else if (pid == 0)
{
union sigval val;
val.sival_ptr = "hello world"; //把字符串发在 sigqueue函数的第三个参数中会在信号发送时整合到在sigqueue函数的>第二个参数中，一起发送给接受信号的进程
sigqueue(getppid(), SIGUSR1, val); //这个是信号的发送函数
}
while (((pid = wait(NULL)) == -1 && errno == EINTR) || pid > 0) {}
return 0;
}
发送字符串只能在共享内存或者同一进程下才可以发送
六、信号量
信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。
1、特点
- 信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
- 信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
- 每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
- 支持信号量组。
2、原型
- 最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二值信号量（Binary Semaphore）。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。
- Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。
#include
// 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
// 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
// 控制信号量的相关信息
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);
当semget创建新的信号量集合时，必须指定集合中信号量的个数（即num_sems），通常为1； 如果是引用一个现有的集合，则将num_sems指定为 0 。
在semop函数中，sembuf结构的定义如下：
struct sembuf
{
short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
short sem_op; // 信号量值在一次操作中的改变量
short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}
其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量：
-
若sem_op > 0，表示进程释放相应的资源数，将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量，则换行它们。
-
若sem_op < 0，请求 sem_op 的绝对值的资源。
- 如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。
- 当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。
- sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。
- sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
- 当相应的资源数可以满足请求，此信号量的semncnt值减1，该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回；
- 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
- 进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，此情况下将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
-
若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：
- 当信号量已经为0，函数立即返回。
- 如果信号量的值不为0，则依据sem_flg决定函数动作：
- sem_flg指定IPC_NOWAIT，则出错返回EAGAIN。
- sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
- 信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
- 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
- 进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
在semctl函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：
- SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
- IPC_RMID：删除一个信号量集合。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。
控制信号量的基础框架：
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
//int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
//int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
union semun {
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO
(Linux-specific) */
};
int main(int argc, char **argv)
{
key_t key = ftok(".",2);
int semid;
//key 信号量集合中有一个信号量
semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666); //获取信号量，或者创建信号量
union semun initsem;
initsem.val = 1;
//0 代表操作第0个信号量
semctl(semid, 0, SETVAL, initsem); //初始化信号量
//SETVAL 设置信号量的值，设置为：initsem
int pid = fork();
if(pid > 0){
//去拿锁
printf("this is father!\n");
//锁放回去
}
else if(pid == 0){
printf("this is child\n");
}
else{
printf("fork error\n");
}
return 0;
}
信号量加锁后：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
//int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
//int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
//int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
union semun {
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO
(Linux-specific) */
};
void pGetKey(int semid)
{
struct sembuf sops;
sops.sem_num = 0; /* Operate on semaphore 0 */
sops.sem_op = -1; /* Wait for value to equal 0 */
sops.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
perror("semop p");
exit(-1);
}
printf("getkey!\n");
}
void vPutBackKey(int semid)
{
struct sembuf sops;
sops.sem_num = 0; /* Operate on semaphore 0 */
sops.sem_op = 1; /* Wait for value to equal 0 */
sops.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
perror("semop v");
exit(-1);
}
printf("put back the key!\n");
}
int main(int argc, char **argv)
{
key_t key = ftok(".",2);
int semid;
//key 信号量集合中有一个信号量
semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666); //获取信号量，或者创建信号量
union semun initsem;
initsem.val = 0;
//0 代表操作第0个信号量
semctl(semid, 0, SETVAL, initsem); //初始化信号量
//SETVAL 设置信号量的值，设置为：initsem
int pid = fork();
if(pid > 0){
//去拿锁
pGetKey(semid);
printf("this is father!\n");
vPutBackKey(semid);
//锁放回去
semctl(semid, 0, IPC_RMID, initsem);
//销毁信号量集
}
else if(pid == 0){
//pGetKey(semid);
printf("this is child\n");
vPutBackKey(semid);
}
else{
printf("fork error\n");
}
return 0;
}
执行结果：
this is child
put back the key!
getkey!
this is father!
put back the key!
进程间通信参考链接 ↩︎
信号参考链接 ↩︎