Linux进程通信2：消息队列，共享内存，信号，信号量.(含：综合实例：实现服务器进程和客户进程通信)
消息队列，共享内存，信号，信号量
1.消息队列：
1.1消息队列的通信原理：
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
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
函数原型：
#include #include 如何创建一个消息队列：
A：创建队列，写数据
B：获取队列，读数据
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。（键值key：标识消息队列）
常用key参数为IPC_PRIVATE。（私有化）
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。
1.2消息队列编程收发数据：
使用到的函数：
#include 接收并回应：
参考代码：
#include 发送并接收：
#include 运行结果：
案例演示：
下面写了一个简单的使用消息队列进行IPC的例子：
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。
msg_server.c：
#include msg_client.c
#include 运行结果：
1.3键值生成及消息队列移除：
ftok：系统IPC键值的格式转化函数
系统建立IPC通讯（消息队列，信号量和共享内存）时，必须指定一个ID值，通常情况下，该ID通过ftok函数的到。去内核中找到相应的链表
函数原型：
#include 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，
id是子序号。虽然是int类型，但是只使用8bits(1-255）。
key_t key;key = ftok(".", 1); 这样就是将fname设为当前目录。
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。-----利用----ls -ai
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
--------------------通过key在内核找到链表（消息队列）没有创建
1.4.删除链表（消息队列）:
函数原型：
#include 2.共享内存：
2.1共享内存的概述：
进程间的通信（写纸条）：
无名管道（单方向，写完被拿走），
命名管道（单方向，写完被拿走），
消息队列（双全工，写完不拿走），
共享内存（写在一个纸条上），
信号，信号量
共享内存：指两个或者多个进程共享一个给定的存储区
特点：
1.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。
2.因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
3.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。
函数原型（共享内存的API）：
#include 创建共享内存：
#include 连接共享内存：
#include 断开连接：
#include 关闭共享内存：
#include 说明：
1.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 。
2.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。
3.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。
4.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）。
演示代码：
写操作：
#include 读操作：
#include 运行结果：
注意：在./write之后5s内操作./read
//如何查看操作系统中有哪些共享内存：
ipcs -m
//删除共享内存：
ipcrm -m 884736要求：明白共享内存原理，会使用共享内存api
3.信号
3.1信号概述:
对于linux来说，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时间的方法，
比如：终端用户输入ctrl+c来终端程序，会通过信号机制停止一个程序
3.2信号的名字和编号：
每个信号都有名字和编号，这些名字都以SIG开头，例如：SIGIO,SIGCHLD等等
信号定义在signal.h文件中，信号名都定义为正整数具体信号可以使用“kill -l”查询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对信号0有特殊的应用
kill -lLinux信号的编号是从1-64，其中32和33空缺，没有对应的信号。通过kill -l 可查看所有的信号。
其中：
1~31之间的信号叫做不可靠信号, 不支持排队, 信号可能会丢失, 也叫做非实时信号。
34~64之间的信号叫做可靠信号, 支持排队, 信号不会丢失, 也叫做实时信号。
3.3信号的处理：
信号的处理有3种方法：忽略，捕捉和默认动作
忽略信号：大多数信号可以使用这种方式来处理，但是有两者信号不能被忽略（SIGKILL SIGTOP），因为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没人管理的进程。
捕捉信号：需要告诉内核，用户希望如何处理某一信号，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机制。
系统默认信号：对于每个信号来说，系统都对应有默认的处理动作，当发生了该信号，系统会自动执行，不过，对系统来说，大部分处理方式都比较粗暴，就是直接杀死该进程
具体信号默认动作可以使用 man 7 signal 来查看系统的具体定义。
3.4.如何使用这些信号：
Kill：就是一个发送信号的工具
比如：
./a.out(产生进程)
----ps -aux|grep a.out(查看进程id)
----kill -9 4222（杀死该进程）
通过查看编号的名称，可以发现9---SIGKILL，正是杀死该进程对于信号来说，最大的意义并不是杀死进程，
而是实现一些异步通信的手段-----捕捉信号（信号处理函数）
那么如何来自定义信号的处理函数呢？
信号处理函数的注册：
信号处理函数的注册不只一种方法，分为入门版和高级版
入门版：函数signal
高级版：函数sigaction (先不讲)
信号注册函数——入门版:
可以发送的信号类型是多种多样的，每种信号的处理可能不一定相同，那么，我们肯定需要知道到底发生了什么信号。
另外，虽然我们知道了系统发出来的是哪种信号，但是还有一点也很重要，就是系统产生了一个信号，是由谁来响应？
如果系统通过 ctrl+c 产生了一个 SIGINT（中断信号），显然不是所有程序同时结束，那么，信号一定需要有一个接收者。对于处理信号的程序来说，接收者就是自己。
signal 的函数原型:
#include 根据函数原型可以看出由两部分组成，一个是真实处理信号的函数，另一个是注册函数了。
对于sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);函数来说，signum 显然是信号的编号，handler 是中断函数的指针。
同样，typedef void (*sighandler_t)(int);中断函数的原型中，有一个参数是 int 类型，显然也是信号产生的类型，方便使用一个函数来处理多个信号。我们先来看看简单一个信号注册的代码示例吧。
演示代码：signal.c
#include我们先使用 kill 命令发送信号给之前所写的程序，关于这个命令，我们后面再谈。
运行结果：
通过kill发送信号：
程序接收到的信号处理结果：
简单的总结一下，我们通过 signal 函数注册一个信号处理函数，分别注册了两个信号（SIGIO 和 SIGUSER1）；随后主程序就一直“长眠”了。
通过 kill 命令发送信号之前，我们需要先查看到接收者，通过 ps 命令查看了之前所写的程序的 PID，通过 kill 函数来发送。
对于已注册的信号，使用 kill 发送都可以正常接收到，但是如果发送了未注册的信号，则会使得应用程序终止进程。
那么，已经可以设置信号处理函数了，信号的处理还有两种状态，分别是默认处理和忽略，这两种设置很简单，只需要将 handler 设置为 SIG_IGN（忽略信号）或 SIG_DFL（默认动作）即可。
在此还有两个问题需要说明一下：
1.当执行一个程序时，所有信号的状态都是系统默认或者忽略状态的。除非是 调用exec进程忽略了某些信号。exec 函数将原先设置为要捕捉的信号都更改为默认动作，其他信号的状态则不会改变 。
2.当一个进程调动了 fork 函数，那么子进程会继承父进程的信号处理方式。
入门版的信号注册还是比较简单的，只需要一句注册和一个处理函数即可，那么，接下来看看，如何发送信号吧。
信号发送函数——入门版
kill 的函数原型:
#include 正如我之前所说的，信号的处理需要有接受者，显然发送者必须要知道发给谁，根据 kill 函数的原型可以看到，pid 就是接受者的 pid，sig 则是发送的信号的类型。从原型来看，发送信号要比接受信号还要简单些，那么我们直接上代码吧~~！
演示代码：kill.c
#include \n" , argv[0]);
return -1;
}
int pid = atoi(argv[1]);
int sig = atoi(argv[2]);
//int kill(pid_t pid, int sig);
if(pid > 0 && sig > 0)
{
kill(pid, sig);
}
else
{
printf("Target_PID or Signal_Number MUST bigger than 0!\n");
}
return 0;
}运行结果：
发送信号：
接收信号：
总结一下：
根据以上的结果可看到，基本可以实现了信号的发送，虽然不能直接发送信号名称，但是通过信号的编号，可以正常的给程序发送信号了，也是初步实现了信号的发送流程。
关于 kill 函数，还有一点需要额外说明，上面的程序限定了 pid 必须为大于0的正整数，其实 kill 函数传入的 pid 可以是小于等于0的整数。
pid > 0：将发送个该 pid 的进程
pid == 0：将会把信号发送给与发送进程属于同一进程组的所有进程，并且发送进程具有权限想这些进程发送信号。
pid < 0：将信号发送给进程组ID 为 pid 的绝对值得，并且发送进程具有权限向其发送信号的所有进程
pid == -1：将该信号发送给发送进程的有权限向他发送信号的所有进程。（不包括系统进程集中的进程）
信号注册函数——高级版:
我们已经成功完成了信号的收发，那么为什么会有高级版出现呢？其实之前的信号存在一个问题就是，虽然发送和接收到了信号，可是总感觉少些什么，既然都已经把信号发送过去了，为何不能再携带一些数据呢？
正是如此，我们需要另外的函数来通过信号传递的过程中，携带一些数据。咱么先来看看发送的函数吧。
sigaction 的函数原型:
#include 这个函数的原版帮助信息，可以通过man sigaction来查看。
关于void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void );处理函数来说还需要有一些说明。void 是接收到信号所携带的额外数据；而struct siginfo这个结构体主要适用于记录接收信号的一些相关信息。
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 */
}
其中的成员很多，==si_signo 和 si_code ==是必须实现的两个成员。可以通过这个结构体获取到信号的相关信息。
关于发送过来的数据是存在两个地方的，sigval_t si_value这个成员中有保存了发送过来的信息；同时，在si_int或者si_ptr成员中也保存了对应的数据。
那么，kill 函数发送的信号是无法携带数据的，我们现在还无法验证发送收的部分，那么，我们先来看看发送信号的高级用法后，我们再来看看如何通过信号来携带数据吧。
信号发送函数——高级版:
使用这个函数之前，必须要有几个操作需要完成:
1.使用 sigaction 函数安装信号处理程序时，制定了 SA_SIGINFO 的标志。
2.sigaction 结构体中的 sa_sigaction 成员提供了信号捕捉函数。如果实现的时 sa_handler 成员，那么将无法获取额外携带的数据。
sigqueue 函数只能把信号发送给单个进程，可以使用 value 参数向信号处理程序传递整数值或者指针值。
sigqueue 函数不但可以发送额外的数据，还可以让信号进行排队，对于设置了阻塞的信号，使用 sigqueue 发送多个同一信号，在解除阻塞时，接受者会接收到发送的信号队列中的信号，而不是直接收到一次。
但是，信号不能无限的排队，信号排队的最大值受到SIGQUEUE_MAX的限制，达到最大限制后，sigqueue 会失败，errno 会被设置为 EAGAIN。
那么我们来尝试一下，发送一个携带有额外数据的信号吧。
接收端代码：
#include发送端代码：
#include \n" , argv[0]);
return -1;
}
int pid = atoi(argv[1]);
int sig = atoi(argv[2]);
if(pid > 0 && sig > 0)
{
//int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
union sigval val;
val.sival_int = atoi(argv[3]);
printf("send: %d\n", atoi(argv[3]));
sigqueue(pid, sig, val);
}
else
{
printf("Target_PID or Signal_Number MUST bigger than 0!\n");
}
return 0;
}
运行结果:
4.信号量：
4.1.信号量概述：
**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。
信号量生活场景：
去一个房间里嫖娼，一把钥匙(信号量)，房间(临界资源)
临界资源：一次只允许一个进程(人)使用的资源
特点：对共享内存(美少女)进行上锁，信号量是钥匙
同步和互斥：
补充：
同步：
是指在不同任务之间的若干个程序片段，他们的运行必须
严格按照规定的某种顺序来运行，这种顺序依赖于要完成任
务的特点
场景：多个进程在运行时需要协同步调，按预定的顺序
执行，比如A任务依赖B任务产生的数据
互斥：
场景：一个公共资源同时只能被一个进程使用
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。P操作：拿锁 v操作：放回锁
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。
4.2. 信号量编程实现：
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，而可以取多个正整数的信号量，叫做通用信号量
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。
函数原型：
#include 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。
演示代码：
#include上面的例子如果不加信号量，则父进程会先执行完毕。这里加了信号量让父进程等待子进程执行完以后再执行。
运行结果：
总：进程通信综合实例：
下面这个例子，使用了【共享内存+信号量+消息队列】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。
共享内存用来传递数据；
信号量用来同步；
消息队列用来 在客户端修改了共享内存后 通知服务器读取。
演示代码：
server.c
#includeclient.c
#include注意：当scanf()输入字符或字符串时，缓冲区中遗留下了\n，所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区。但是由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)（它只是标准C的扩展），所以我们使用了替代方案：
while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);运行结果：
客户机请求：
服务器回应：
