进程间通信——实现

以UNIX为例来分析进程间通信的各种实现技术。

在UNIX中，文件（File）、信号（Signal）、无名管道（Unnamed Pipes）、有名管道（FIFOs）是传统IPC功能；新的IPC功能包括消息队列（Message queues）、共享存储段（Shared memory segment）和信号量（Semapores）。

 

1.信号

　　信号机制是UNIX为进程中断处理而设置的。它只是一组预定义的值，因此不能用于信息交换，仅用于进程中断控制。例如在发生浮点错、非法内存访问、执行无 效指令、某些按键（如ctrl-c、del等）等都会产生一个信号，操作系统就会调用有关的系统调用或用户定义的处理过程来处理。信号处理的系统调用是signal，调用形式是：

　　signal(signalno,action)，其中，signalno是规定信号编号的值，action指明当特定的信号发生时所执行的动作。

 

2.无名管道

　　管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。无名管道是一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，并且只存在与内存中。下面是生成管道的函数原型：

#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2])

　　fd[0]中返回管道的读通道打开文件描述等，在fd[1]中返回管道的写通道打开文件描述符。

　　该函数创建的管道的两端处于一个进程中间，在实际应用中没有太大意义，因此，一个进程在由 pipe()创建管道后，一般再fork一个子进程，然后通过管道实现父子进程间的通信。

　　向管道中写入数据时,linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。

　　只有在管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIFPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略（默认动作则是应用程序终止）。

 

3.有名管道

　　不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信，因此，通过FIFO不相关的进程也能交换数据。

 　　下面是创建有名管道的函数原型：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode)

　　该函数的第一个参数是一个普通的路径名，也就是创建后FIFO的名字。第二个参数与打开普通文件的open()函数中的mode 参数相同。如果mkfifo的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。一般文件的I/O函数都可以用于FIFO，如close、read、write等等。

 

4.消息队列

　　消息队列是内存中独立于生成它的进程的一段存储区，一旦创建消息队列，任何进程，只要具有正确的的访问权限，都可以访问消息队列，消息队列非常适合于在进程间交换短信息。

　　消息队列的每条消息由类型编号来分类，这样接收进程可以选择读取特定的消息类型——这一点与管道不同。消息队列在创建后将一直存在，直到使用msgctl系统调用或iqcrm -q命令删除它为止。

　　下面是关于消息队列的API：

//创建一个具有flag权限的MQ及其相应的结构，并返回一个唯一的正整数msqid（MQ的标识符）； 

int msgget(key,flag)



//向队列中发送信息；

int msgsnd(msqid,msgp,msgsz,msgtyp,flag)



//从队列中接收信息；

int msgrcv(msqid,cmd,buf)



//对MQ的控制操作；

int msgctl(msqid,cmd,buf)

 

5.共享存储段

　　共享存储段是主存的一部分，它由一个或多个独立的进程共享。

　　下面是关于共享存储段的API

//创建大小为size的SM段，其相应的数据结构名为key，并返回共享内存区的标识符shmid；

int shmget(key,size,flag)



//将当前进程数据段的地址赋给shmget所返回的名为shmid的SM段；

char shmat(shmid,address,flag)



//从进程地址空间删除SM段；

int shmdr(address)



//对SM的控制操作；

int shmctl (shmid,cmd,buf)

 

6.信号量

　　在UNIX中，信号灯是一组进程共享的数据结构，当几个进程竞争同一资源时（文件、共享内存或消息队列等），它们的操作便由信号灯来同步，以防止互相干扰。

　　信号灯保证了某一时刻只有一个进程访问某一临界资源，所有请求该资源的其它进程都将被挂起，一旦该资源得到释放，系统才允许其它进程访问该资源。信号灯通常配对使用，以便实现资源的加锁和解锁。