Linux Day12 ---进程间通信

一、管道

1.1 有名管道

有名管道可以在任意两个进程之间通信

1.1.1 有名管道的创建：

命令创建： mkfifo +管道名

系统调用创建

1.1.2 与普通文件区别

打开管道文件，在内存分配一块空间，往管道文件里面写数据，实际是写入内存，读取也是，这样比较高效，所以管道文件的大小永远为0.

1.1.3 使用有名管道

管道文件只有两种打开方式：只读 O_RDONLY 只写 O_WRONLY

一个进程往管道里面写入数据

#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    int fdw=open("./FIFO",O_WRONLY);
    assert(fdw!=-1);
    printf("fdw=%d\n",fdw);
    while(1)
    {
        printf("input:\n");
        char buff[128]={0};
        fgets(buff,128,stdin);
        if(strncmp(buff,"end",3)==0)
        {
            break;
        }
        write(fdw,buff,strlen(buff));
    }
    close(fdw);
}

另外一个进程从管道里面读出数据

#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    int fdw=open("./FIFO",O_RDONLY);
    assert(fdw!=-1);
    printf("fdw=%d\n",fdw);
    while(1)
    {
        char buf[128]={0};
        if(read(fdw,buf,127)==0)
        {
            break;
        }
        printf("read=%s\n",buf);
    }
    close(fdw);
}

结果

注意

需要两个进程同时进行，至少一个读一个写，保证读和写都得有。

当写端关闭，读端自动返回0。

如果读端关闭，系统会给写端发送信号--13，引起异常。

加上这段代码，当读端结束后，写端会打印系统返回的信号。

1.2 无名管道

无名管道主要应用于父子进程间的通信

1.2.1 创建无名管道

int pipe(int fds[2]);

pipe()成功返回 0，失败返回-1

fds[0]是管道读端的描述符

fds[1]是管道写端的描述符

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    int fd[2];
    assert(pipe(fd)!=-1);
    pid_t pid =fork();
    assert(pid!=-1);
    if(pid ==0)
    {
        close(fd[1]);
        char buff[128]={0};
        read(fd[0],buff,127);
        printf("child read:%s\n",buff);
        close(fd[0]);
    }
    else
    {
        close(fd[0]);
        write(fd[1],"hello",5);
        close(fd[1]);
    }
}

结果

半双工，单工，全双工

单工：方向固定

半双工：一次只允许一方到另一方传递

全双工:允许同时进行双方传递

1.3 管道实现

二、信号量

信号量是一个特殊的变量，一般取正数值。它的值代表允许访问的资源数目，获取资源时，需要对信号量的值进行原子减一，该操作被称为 P 操作。当信号量值为 0 时，代表没有 资源可用，P 操作会阻塞。释放资源时，需要对信号量的值进行原子加一，该操作被称为 V 操作。信号量主要用来同步进程。信号量的值如果只取 0,1，将其称为二值信号量。如果信 号量的值大于 1，则称之为计数信号量。

当信号量取0和1：二值信号量

当信号量取3和5：计数信号量

临界资源：同一时刻，只允许被一个进程或线程访问的资源

临界区：访问临界资源的代码段

2.1 没有信号量控制

A和B去打印，需求是A，B同时打印次数为偶数

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    for(int i=0;i<5;i++)
    {
        printf("A");
        fflush(stdout);
        int n=rand()%3;
        sleep(n);
        printf("A");
        fflush(stdout);
        n=rand()%3;
        sleep(n);
    }
}

#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
    for(int i=0;i<5;i++)
    {
        printf("B");
        fflush(stdout);
        int n=rand()%3;
        sleep(n);
        printf("B");
        fflush(stdout);
        n=rand()%3;
        sleep(n);
    }
}

结果

在B未结束时A已经出现了，所以表示一个进程未结束另一个进程已经开始了。

2.2 信号量的封装

为解决2.1的问题，我们增加一个信号量，值为1，当执行A时p操作-1，值为0，这时表明没有资源可以使用，进程B无法运行，当A结束后v操作+1，这时进程B就可以有资源去使用，执行B资源然后同上，这样就解决了两个进程依次执行的

2.2.1 介绍一些函数

2.2.1.1 semget()

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

semget()创建或者获取已存在的信号量

semget()成功返回信号量的 ID， 失败返回-1

key：两个进程使用相同的 key 值，就可以使用同一个信号量

nsems：内核维护的是一个信号量集，在新建信号量时，其指定信号量集中信号

量的个数

semflg 可选： IPC_CREAT IPC_EXCL

2.2.1.2 semop()

int semop( int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

semop()对信号量进行改变，做 P 操作或者 V 操作

semop()成功返回 0，失败返回-1

struct sembuf

{

      unsigned short sem_num; //指定信号量集中的信号量下标

      short sem_op; //其值为-1，代表 P 操作，其值为 1，代表 V 操作

      short sem_flg; //SEM_UNDO

}

2.2.1.3 semget()

int semctl( int semid, int semnum, int cmd, ...);

semctl()控制信号量

semctl()成功返回 0，失败返回-1 

cmd 选项： SETVAL IPC_RMID

 

  union semun

    {

      int val;

      struct semid_ds *buf;

      unsigned short *array;

      struct seminfo *_buf;

    };

2.2 实现创建一个信号量

#include "sem.h"

static int semid = -1;
void sem_init()
{
    semid = semget((key_t)1234,1,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);//全新创建信号量,如果存在就失败
    if ( semid == -1 )//失败，表示已存在
    {
        semid = semget((key_t)1234,1,0600);//获取已存在的信号量id
        if ( semid == -1)
        {
            printf("semget err\n");
        }
    }
    else//全新创建成功，那么要进行初始化
    {
        union semun a;
        a.val = 1;//信号量的初始值
        if ( semctl(semid,0,SETVAL,a) == -1)//设置初始值
        {
            printf("semctl err\n");
        }
    }
}
void sem_p()
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num = 0;
    buf.sem_op = -1;//p
    buf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if ( semop(semid,&buf,1) == -1)
    {
        printf("semop p err\n");
    }
}
void sem_v()
{
    struct sembuf buf;
    buf.sem_num = 0;
    buf.sem_op = 1;//v
    buf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if ( semop(semid,&buf,1) == -1)
    {
        printf("semop v err\n");
    }
}
void sem_destroy()
{
    if ( semctl(semid,0,IPC_RMID) == -1)
    {
        printf("semctl destroy err\n");
    }
}

给2.1中的a.c b.c 添加信号量就会输出下图

三、共享内存

两个进程在进行通讯时，共同使用同一块内存。

3.1 介绍一些函数

3.1.1 shemget()创建共享内存

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

shmget()用于创建或者获取共享内存

shmget()成功返回共享内存的 ID， 失败返回-1

key： 不同的进程使用相同的 key 值可以获取到同一个共享内存

size： 创建共享内存时，指定要申请的共享内存空间大小

shmflg: IPC_CREAT IPC_EXCL

3.1.2 shmat() 用来创建映射

void * shmat( int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

shmat()将申请的共享内存的物理内存映射到当前进程的虚拟地址空间上

shmat()成功返回返回共享内存的首地址，失败返回 NULL

shmaddr：一般给 NULL，由系统自动选择映射的虚拟地址空间

shmflg： 一般给 0， 可以给 SHM_RDONLY 为只读模式，其他的为读写

3.1.3  shmdt()用来断开映射

int shmdt( const void *shmaddr);

shmdt()断开当前进程的 shmaddr 指向的共享内存映射

shmdt()成功返回 0， 失败返回-1

3.1.4 shmctl()用来控制共享内存

int shmctl( int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shmctl()控制共享内存

shmctl()成功返回 0，失败返回-1

cmd： IPC_RMID 32. *

3.2 实现共享内存

这里的共享内存的实现方式个人感觉和无名管道很像，都是使用两个信号量来控制输入输出进程的执行，只不过无名管道的信号量是来源于fork()复制来的。

这个是进程1的实现，主要就是往共享内存里面传输数据

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "sem.h"

int main()
{
    int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);
    if ( shmid == -1 )
    {
        printf("shmget err\n");
        exit(1);
    }

    char* s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
    if ( s == (char*)-1) 
    {
        printf("shmat err\n");
        exit(1);
    }   

    sem_init();
    while( 1 )
    {
        printf("input\n");
        char buff[128] = {0};
        fgets(buff,128,stdin);

        sem_p(SEM1);
        strcpy(s,buff);
        sem_v(SEM2);

        if ( strncmp(buff,"end",3) == 0)
        {
            break;
        }
    }

    shmdt(s);
}

在进程1结束后我们只用断开进程1和共享内存之间的映射就行，不需要结束共享内存，因为后续还会有其他进程使用这个共享内存。

这个是进程2的实现方式，主要就是从共享内存中读出数据

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "sem.h"

int main()
{
    int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT|0600);
    if ( shmid == -1 )
    {
        printf("shmget err\n");
        exit(1);
    }

    char * s = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
    if ( s == (char*)-1)
    {
        printf("shmat err\n");
        exit(1);
    }

    sem_init();
    while( 1 )
    {
        sem_p(SEM2);
        if ( strncmp(s,"end",3) == 0 )
        {
            break;
        }

        printf("read:%s\n",s);
        sem_v(SEM1);
    }

    shmdt(s);
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    sem_destroy();
}

这里如果直接去实现就会无限迅速读入读出，所以需要我们引入信号量加以管制，和2的代码很像，只需要大家看得懂我前面画的图，实现这个功能并不复杂。

四、信息队列

根据前面的数字类型进行分类。

4.1 认识一些函数接口

4.1.1 msgget() 获取消息队列

int msgget(key_t key, int msqflg);

msgget()创建或者获取一个消息队列

msgget()成功返回消息队列 ID，失败返回-1

msqflg： IPC_CREAT

 4.1.2 msgsnd()发送信息

int msgsnd( int msqid, const void *msqp, size_t msqsz, int msqflg);

msgsnd()发送一条消息，消息结构为：

struct msgbuf

{

    long mtype; // 消息类型， 必须大于 0  必须有

    char mtext[1]; // 消息数据

};

 msgsnd()成功返回 0， 失败返回-1

 msqsz： 指定 mtext 中有效数据的长度

 msqflg：一般设置为 0 可以设置 IPC_NOWAIT

 4.1.3 msgrcv()接收消息

ssize_t msgrcv( int msqid, void *msgp, size_t msqsz, long msqtyp, int msqflg); 

msgrcv()接收一条消息 

msgrcv()成功返回 mtext 中接收到的数据长度， 失败返回-1

msqtyp： 指定接收的消息类型，类型可以为 0

msqflg： 一般设置为 0 可以设置 IPC_NOWAIT

 4.1.4 msgctl()控制消息队列

int msgctl( int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

msgctl()控制消息队列

msgctl()成功返回 0，失败返回-1

cmd： IPC_RMID

 

 4.2 示例

进程 a 发送一条消息，进程 b 读取消息。

进程a

#include
#include
#include
#include
#include
#include
struct message
{
    long int type;//固定
    char buff[32];
};
int main()
{
    int msgid=msgget((key_t)1234,IPC_CREAT|0600);
    if(msgid==-1)
    {
        printf("msgget err\n");
        exit(1);
    }
    struct message dt;
    dt.type=1;
    strcpy(dt.buff,"hello1");
    msgsnd(msgid,&dt,32,0);
    
}

 进程b

#include
#include
#include
#include
#include
#include
struct message
{
    long int type;//固定
    char buff[32];
};
int main()
{
    int msgid=msgget((key_t)1234,IPC_CREAT|0600);
    if(msgid==-1)
    {
        printf("msgget err\n");
        exit(1);
    }
    struct message dt;
    msgrcv(msgid,&dt,32,1,0);//0代表不区分类型
    printf("read message:%s\n",dt.buff);

}