LinuxC编程进程间的通信总结
LinuxC编程进程间的通信总结
-
- 前言
- 管道
- 有名管道
- 消息队列
- 信号量
- 共享内存
本文参考《LinuxC编程实战》
前言
进程的空间地址是各自独立的，因此进程间进行数据交流就需要特定的通信机制，在大型应用中往往需要多个进程同时工作，这就需要进程间的数据交流和配合。
进程间的通信方式有：
- 管道（pipe）：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程间的亲缘关系一般指父子进程关系。
- 有名管道（named pipe）：有名管道也是半双工管道通信方式，但是它允许不具有亲缘关系的进程间的通信。
- 信号量（semophore）：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程在访问共享资源时，其他进程也在访问，因此主要作为进程间或同一进程间不同线程之间的同步机制。
- 消息队列（message queue）：消息队列是消息地列表。消息列表克服了信号传递信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
- 信号（signal）：信号用于通知接收进程某个事件已经发生。在我的另一篇博客有总结：信号总结
- 共享内存（shared memory）：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建但多个进程可以访问。它往往与其他通信机制如信号量配合使用，用来实现进程间的同步和通信。
- 套接字（socket）：套接口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。
管道
管道是一种两个进程间进行通信的机制，它有一些局限性：
- 管道只能单项通信，及只能由一个进程流向另一个进程，如果要实现双向通信就要创建两个管道。
- 管道只能用于父子进程或兄弟进程间的通信。
- 管道没有名字，管道的缓存区大小PIPE_BUF受限，管道传递的是无格式的字节流。
管道就想是一个特殊的文件，在创建文件时系统为它设置了一个文件描述符，进程把管道当作文件进行操作。在创建管道是系统为管道分配了一个页面作为数据缓存区，进程通过对这个数据缓存区读写进行通信，一个进程写入数据，另一个进程读出数据。
管道的创建和读写
管道的创建使用的是pipe函数，该函数如果调用成功返回0,并且数组中包含两个新的文件描述符;如果失败，返回-1.函数原型为：
#include 管道两端分别用描述符fd[0],fd[1]来描述。需要注意的是管道两端的任务是固定的，一端只能用于读，由描述符fd[0]表示，为读端;另一端只能用于写，由描述符fd[1]表示，为写端;如果试图从读端写入会出错。管道是一种文件，所以可以使用文件的I/O函数，如read(),write()等;
管道的使用方法：
（1）.创建一个管道;
（2）.创建子进程;
（3）.父进程关闭管道读端，负责写入数据;
（4）.子进程关闭管道写端，负责读出数据;
例：pipe.c
/*************************************************
* 用管道创建单向传递功能
* **********************************************/
#include dual_pipe.c
/*************************************************
* 用两个管道创建双向传递功能
* **********************************************/
#include 有名管道
管道有一个局限性是没有名字，因此只能在具有亲缘关系的进程间才可以使用，有名管道（named pipe或FIFO）的出现客服了这一限制。FIFO与管道不同之处在于它提供了一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式储存于文件系统中。有名管道是一个设备文件，因此可以不局限与具有亲缘关系才能访问。
有名管道的创建和读写
创建有名管道的方法有两种，一种是在shell下创建，另一种是在程序中用函数创建。shell中使用mknod或者mkfifo命令，例如：
mknod namedpipe
创建有名管道的函数有两个：mknod和mkfifo。函数原型为：
#include 函数mknod中path参数为创建的有名管道的全路径名;mod为创建有名管道的模式，指名其权限;dev为设备值，该值文件创建的类型，它只在创建设备文件时才会用到。这两个函数调用成功返回0,失败返回-1。mkfifo的参数与mknod的前两个参数一样。
使用时如下：
//1.0
umask(0);
if(mknod("/tmp/fifo",S_IFIFO | 0666, 0) == -1)
{
perror("mknod error!");
exit(1);
}
//2.0
umask(0);
if(mkfifo("/tmp/fifo",S_IFIFO | 0666) == -1)
{
perror("mknod error!");
exit(1);
}
umask(0)用于在创建新文件时屏蔽掉不应该有的访问允许权限。S_IFIFO | 0666指创建一个有名管道且存取权限为0666。
下面我们用一个有名管道实现两个无亲缘关系的进程间的通信：
procread.c
/*************************************
* 先运行procwrite.c文件，写入有名管道
* 后运行procread.c文件，读出有名管道中的内容
* 如果已经有了有名管道myfifo则先删除它
* **********************************/
#include procwrite.c
/*************************************
* 先运行procwrite.c文件，写入有名管道
* 后运行procread.c文件，读出有名管道中的内容
* 如果已经有了有名管道myfifo则先删除它
* **********************************/
#include 如果要实现双向通信需要使用两个有名管道。
消息队列
概念
消息队列是一个存放在内核中的消息链表，每个消息队列由消息队列标识符标识。与管道不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即操作系统重启)或者显式地删除-一个消息队列时，该消息队列才会被真正删除。
操作消息队列时，需要用到- -些数据结构，熟悉这些数据结构是掌握消息队列的关键。下面介绍几个重要的数据结构。
1.消息缓冲结构
向消息队列发送消息时，必须组成合理的数据结构。Linux系统定义了-一个模板数据结构msgbuf:
#include 结构体中的mtype字段代表消息类型。给消息指定类型，可以使得消息在一一个队列中重复使用。nmtext字段指消息内容。
注意: mtext虽然定义为char类型，并不代表消息只能是一个字符，消息内容可以为任意类型，由用户根据需要定义。如下面就是用户定义的一个消息结构:
struct mymsgbuf{
long mtype;
struct stdudent stu;
};
消息队列的大小受到MSGMAX的限制，MSGMAX为最大值。
2.msqid_ds内核数据结构
每个消息队列都有一个msqid_ds结构体，此结构体保存着该消息队列当前的状态信息。
struct msqid_ds{
struct ipc_perm msg_perm; //保存了消息队列的存取权限和队列用户ID，组ID等信息
struct msg *msg_first; //指向队列中第一条消息
struct msg *msg_last; //指向队列中最后一条消息
__kernel_time_t msg_stime; //向消息队列发送最后一条信息的时间
__kernel_time_t msg_rtime; //从消息队列中读取最后一条消息的时间
__kernel_time_t msg_ctime; //最后一个变更消息队列时间
unsigned long msg_lcbytes;
unsigned long msg_lqbytes;
unsigned short msg_cbytes; //消息队列中所有消息所占的字节数
unsigned short msg_qnum; //消息队列中消息的数目
unsigned short msg_qbytes; //消息队列的最大字节数
__kernel_ipc_pid_t msg_lspid; //向消息队列发出最后一条消息的进程ID
__kernel_ipc_pid_t msg_lrpid; //从消息队列读出最后一条消息的进程ID
};
- ipc_perm内核数据结构
结构体ipc_perm保存着消息队列的一些重要信息，如保存了消息队列的存取权限和队列用户ID，组ID等信息：
#include 消息队列的创建
消息队列是随着内核的存在而存在的，每个消息队列在系统范围内对应唯一的键值。要获取一个消息队列的描述符，只需提供该消息队列的键值及可，该键值通常由函数ftok返回，该函数原型为：
#include 参数pathname为路径，且一定要有访问权限;参数proj_id的值为1～255。
例如：
ftok.c
#include 有了键值我们就可以根据键值创建或打开一个消息队列，函数为msgget，该函数调用成功返回一个消息队列描述符，错误返回-1,函数原型为：
int msgget(key_t key, int msgflg);
key参数为键值，msgflg为一个标志参数，它的取值有：
-
IPC_CREATE：如果内核中不存在键值与key相等的消息对列，则新建一-个消息队列:如果存在这样的消息队列，返回该消息队列的描述符。
-
IPC_ EXCL: 和IPC _CREATE -起使用，如果对应键值的消息队列已经存在，则出错。
注意：IPC_EXCL需要和IPC_CREATE一起使用否者无意义。
写消息队列
用函数msgsnd向消息队列发送（写）数据，该函数调用成功返回0,错误返回-1,该函数原型为：
#include 各参数含义如下：
- msqid：函数向msgid标识的消息队列发送一个消息
- msgp：msgp指向发送的消息
- msgsz：要发送消息的大小，不包含消息类型占用的4个字节
- magflg：操作标志位，可以设置为0和IPC_NOWAIT。如果是0,则当消息队列已满的时候，msgsnd 将会阻塞，直到消息可以写进消息队列:如果magflg 为IPC_ NOWAIT,当消息队列已满的时候，msgsnd 函数将不等待立即返回。
例：
sendmsg.c
/***********************************
* 创建一个消息队列，并写入消息
* 编译运行该文件
* 在shell下输入ipcs命令
* 系统内部生成了一个消息队列Message Queues，其中含有一条消息
* ********************************/
#include 读消息队列
将消息写入消息队列或就可以用函数msgecv将消息读出，该函数调用成功返回读出的实际字节数，错误返回-1,函数原型为：
#include 参数含义为：
- msqid:消息队列描述符。
- 读取的消息存储到msgp指向的消息结构中。
- msgsz:消息缓冲区的大小。
- msgtyp:为请求读取的消息类型。
- msgflg:操作标志位。msgflg 可以为IPC_NOWAIT, IPC_ EXCEPT,IPC_NOERROR
3个常量。这些值的意义分别为: IPC_NOWAIT,如果没有满足条件的消息，调用立即返回，此时错误码为ENOMSG; IPC_EXCEPT与msytp配合使用，返回队列中第一一个类型不为msgtyp的消息; IPC_NOERROR,如果队列中满足条件的消息内容大于所请求的msgsz 字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃。
例：前一个程序想消息队列写入了信息，我们将它读出：
msgrcv.c
/**************************************
* 从消息队列中读取消息
* ***********************************/
#include 获取和设置消息队列的属性
消息队列的属性在结构体msqid_ds中，用户可以通过函数msgctl来获取和设置消息队列的属。该函数原型为：
#include 该函数对msqid为标识符的消息队列执行cmd操作：
- IPC_STAT：获取msqid_ds结构体
- IPC_SET：将buf结构体中的属性设置d到msqid_ds中
- IPC_RMID：从内核中删除msqid标识的消息队列
信号量
概念
信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程在访问共享资源时，其他进程也在访问，因此主要作为进程间或同一进程间不同线程之间的同步机制。与消息队列一样，每个信号集都有一个semid_ds数据结构.
#include 注意：这里的信号与之前学的信号不一样，该函数调用成功返回一个信号集的标识符，失败返回-1，上面semid_ds结构体不懂也无妨。
信号集的创建和打开
我们可以使用semget函数创建或打开信号集，函数原型为：
#include 参数key为ftok获取的键值，nsems为要创建信号集所包含的个数，如果只打开一个信号集则为0，semflg为操作标志，可取以下值：
- IPC_CREATE：调用semget()时，它会将此值与与key比较，如果相同则打开已存在的信号集，否则创建一个新的信号集
- IPC_EXCL：与IPC_CREATE一起使用，当信号集已经存在则返回错误。
信号量的操作
当信号量大于0时表示可以使用的资源数量，小于0时表示等待使用资源的进程个数。信号量的值仅能通过PV操作来改变，PV操作通过函数semop实现，该函数原型为：
#include semid参数为信号集标识符; sops参数为指向进行操作的结构体数组首地址;参数nsops为要进行操作的信号的个数;该函数调用成功返回0,失败返回-1.
#include 
P操作：将信号量-1,表示又有一个进程调用了资源;
//P操作函数 信号-1
int sem_P(int semid, int index) //index = 0
{
struct sembuf buf = {0, -1, IPC_CREAT}; //信号在信号集中的索引->0
//操作类型->-1 信号加上-1即-1
//操作标志->IPC_CREAT
if(index < 0)
{
perror("index of array cannot equals a minus value!");
return -1;
}
buf.sem_num = index; //信号在信号集中的索引->0
if(semop(semid , &buf, 1) == -1) //信号-1
{
perror("a wrong operation to semaphore occurred!");
return -1;
}
return 0;
}
V操作：将信号量+1,表示有一个进程使用完了资源;
//V操作函数 信号+1
int sem_V(int semid, int index) //index = 0
{
struct sembuf buf = {0, +1, IPC_CREAT}; //信号在信号集中的索引->0
//操作类型->+1 信号加上+1即+1
//操作标志->IPC_CREAT
if(index < 0)
{
perror("index of array cannot equals a minus value!\n");
return -1;
}
buf.sem_num = index; //信号在信号集中的索引->0
if(semop(semid,&buf, 1) == -1) //信号+1
{
perror("a wrong operation to semaphore occurred!");
return -1;
}
return 0;
}
信号集的控制
使用信号集时需要对信号集进行一些控制，例如：删除一个信号集，对semid_ds进行设置，获取信号集中信号量等;这些操作都需要函数semctl进行，该函数的原型为：
#include semid为信号集标识符，semnum标识一个特定信号，cmd为操作类型，‘…'表示参数是可选的。他依赖于cmd，通过共用体来选取参数。
int val;
struct semid_ds *buf;
ushort *array;
struct seminfo *buf;
void *pad;
前面说过信号量一般和其他通信类型共同使用，所以我们吧它和共享内存结合使用来理解。
共享内存
共享内存是分配一块能被其他进程访问的内存。同时美国共享内存都有一个shmid_ds结构.
struct shmid_ds{
struct ipc_perm shm_perm;/* 操作权限*/
int shm_segsz; /*段的大小（以字节为单位）*/
__kernel_time_t shm_atime; /*最后一个进程附加到该段的时间*/
__kernel_time_t shm_dtime; /*最后一个进程离开该段的时间*/
__kernel_time_t shm_ctime; /*最后一个进程修改该段的时间*/
unsigned short shm_cpid; /*创建该段进程的pid*/
unsigned short shm_lpid; /*在该段上操作的最后1个进程的pid*/
short shm_nattch; /*当前附加到该段的进程的个数*/
/*下面是私有的*/
unsigned short shm_npages; /*段的大小（以页为单位）*/
unsigned long *shm_pages; /*指向frames->SHMMAX的指针数组*/
};
共享内存区的创建
使用shmget函数来创建一个共享内存区，或访问一个已经存在的共享内存区，该函数的函数原型为：
#include 参数key为键值，size为以字节为单位指定内存的大小，shmflg为操作标志位，它的取值有：
- IPC_CREATE：如果已经有了相同键值的共享内存则打开已经存在的共享内存，否则创建一个新的共享内存区。
- IPC_EXCL：与 IPC_CREATE一起使用，否则无意义，如果该键值已创建共享内存区则出错返回-1.
共享内存区的操作
在使用共享内存区前，必须通过shmat函数将其附加到进程的地址空间。进程与共享内存就建立了联系。调用成功后就会返回一个指向共享内存区指针，使用该指针访问共享内存区。函数原型为：
#include 参数shmid为shmget的返回值，为贡献内存区的描述符;shmflg为存取权限;shmaddr为共享内存的附加点，取值可为：
在使用完共享内存区时需要通过函数shmdt断开与共享内存区的链接。该函数的原型为：
#include 参数shmadder为函数shmat的返回值，调用成功返回0,失败返回-1.
共享内存区的控制
对贡献内存区的控制是使用函数shmctl实现的，该函数的原型为：
#include shmid为标识符;buf为指向shmid_ds结构体的指针，cmd为操作位：
例：
sharemem.h
#include reader.c
/*************************************************
* 先运行writer.c文件，在writer：后输入内容到共享内存区
* 再运行reader.c文件，读出共享内存区数据
* **********************************************/
#include "sharemem.h"
int main()
{
int semid,shmid;
char *shmaddr;
if((shmid = createshm(".",'m',SHM_SIZE)) == -1) //打开共享内存区
{
exit(1);
}
if((shmaddr = shmat(shmid,(char *)0,0)) == (char *)-1) //返回指向共享内存区的指针
{
perror("attach shared memory error!\n");
exit(1);
}
if((semid = opensem(".",'s')) == -1) //打开信号集
{
exit(1);
}
while(1)
{
printf("reader: ");
wait_sem(semid, 0); //等待信号为1
sem_P(semid, 0); //信号-1
printf("%s\n",shmaddr);
sleep(10);
sem_V(semid, 0); //信号+1
sleep(10);
}
}
writer.c
/*************************************************
* 先运行writer.c文件，在writer：后输入内容到共享内存区
* 再运行reader.c文件，读出共享内存区数据
* **********************************************/
#include "sharemem.h"
int main()
{
int semid,shmid; //semget和shmget的返回值
char *shmaddr; //shmat的返回值
char write_str[SHM_SIZE];
if((shmid = createshm(".",'m', SHM_SIZE)) == -1) //创建共享内存区
{
exit(1);
}
if((shmaddr = shmat(shmid, (char *)0, 0)) == (char *)-1) //返回指向共享内存区的指针
{
perror("attach shared memory error!\n");
exit(1);
}
if((semid = createsem(".",'s',1,1)) == -1) //创建（打开）信号集
{
exit(1);
}
while(1)
{
wait_sem(semid, 0); //等待信号为1
sem_P(semid, 0); //信号-1
printf("writer: ");
fgets(write_str,1024,stdin); //输入内容
int len = strlen(write_str)-1;
write_str[len] = '\0';
strcpy(shmaddr,write_str); //写入共享内存区
sleep(10);
sem_V(semid, 0); //信号+1
sleep(10);
}
}