【Linux篇】第十一篇——进程间通信（管道+system V共享内存）
⭐️ 本篇博客要给大家介绍一些关于进程间通信的一些知识。Linux下进程通信常见的几种方式，例如管道、共享内存等。
目录
- 介绍
- 管道
-
- 认识管道
- 匿名管道
-
- 创建匿名管道——pipe
- 管道的本质
- 使用匿名管道进行通信
- 匿名管道的读写规则
- 管道的特点
- 命名管道
-
- 创建命名管道FIFO--mkfifo
- 匿名管道读写规则
- 使用匿名管道
- 命名管道和匿名管道的区别
- system V共享内存
-
- 认识共享内存
- 共享内存函数
- 使用共享内存实现进程通信
- 总结
介绍
概念： 进程间通信（IPC，Interprocess communication）是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个操作系统里同时运行，并相互传递、交换信息。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。IPC方法包括管道（PIPE）、消息排队、旗语、共用内存以及套接字（socket）（本篇博客只介绍共享内存和管道两种）。
通信目的：
- 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
- 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
- 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知某些或某个进程发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
- 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变
如何实现通信？
要让两个不同的进程实现通信，前提条件是让它们看到同一份资源。所以要想办法让他们看到同一份资源，就需要采取一些手段，可以分为下面几种
通信方式分类：
- 管道
- 匿名管道pipe
- 命名管道
- System V IPC
- System V 消息队列
- System V 共享内存
- System V 信号量
- POSIX IPC
- 消息队列
- 共享内存
- 信号量
- 互斥量
- 条件变量
- 读写锁
管道
认识管道
概念： 管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”。它的特点是单向传输数据的，先进先出。
管道相信大家之前都知道一些。我们之前也会用到管道命令‘|’。例如：cat file.txt | head -1。
cat是一个进程，这个进程先处理，然后将处理后得到的标准输出到管道中，再由head进程通过标准输入将管道中的数据读出，再进行处理。
匿名管道
概念： 匿名管道用于进程之间通信，这两个进程需要具有亲缘关系（父子进程等）。
创建匿名管道——pipe
这里介绍一个系统调用接口——pipe。
功能： 创建一个匿名管道
函数原型：#includeint pipe(int pipefd[2]) 参数：
fd：文件描述符数组，这是一个输出型参数，fd[0]表示读端，fd[1]表示写端
返回值：
创建管道成功返回0，失败返回-1
匿名管道创建原理：
调用pipe函数后，OS会在fd_array数组中分配两个文件描述符给管道，一个是读，一个是写，并把这两个文件描述符放到用户传进来的数组中，fd[0]代表管道读端，fd[1]代表管道写端。这样一个管道就创建好了。
实例演示：
实例1： 观察fd[0]和fd[1]的值
#include 代码运行结果： 显然，pipefd这个数组里面放的是两个文件描述符
实例2： 尝试使用管道读写数据
#include 代码运行结果如下： 可以看出，管道也可以读写数据，和文件使用方法是一致的
上面介绍的都是关于管道如何创建，接下来就要介绍如何使用管道进行通信。
管道的本质
Linux下一切皆文件，看待管道，其实时可以像看待文件一样。且管道和文件使用方法是一致的。管道的生命周期随进程。
使用匿名管道进行通信
匿名管道是提供给有亲缘关系两个进程进行通信的。所以我们可以在创建管道之后通过fork函数创建子进程，这样父子进程就看到同一份资源，且父子进程都有这个管道的读写文件描述符。我们可以关闭父进程的读端，关闭子进程的写端，这样子进程往管道里面写数据，父进程往管道里面读数据，这样两个进程就可以实现通信了。
具体过程如下：
-
父进程创建管道
-
foek创建子进程
-
关闭父进程的写端，子进程的读端
实例演示： 子进程每隔1秒往管道里面写数据，父进程每隔1秒往管道里读数据
#include 代码运行结果如下：
匿名管道的读写规则
在这里我们分四种情况来进行研究：
- 写端速度小于读端速度，管道大部分时间内为空，即读条件不满足 让子进程每5秒写一次，父进程每1秒读一次，观察现象
#include 代码运行结果如下： 读端处于阻塞
总结： 当读条件不满足时，读端进程会处于阻塞，从task_struct会从运行队列调到等待队列，知道有数据来，才会转移到运行队列中。
- 写端速度大于读端速度，管道大部分时间内是满的，即写调整不满足 让子进程一直，父进程每5秒读一次，观察现象
这里这方核心代码，在上面那个例子的代码进行了一定改造
pid_t id = fork();
if (id < 0){
perror("fork failed");
exit(-1);
}
else if (id == 0){
// child
// 关闭读端
close(pipefd[0]);
const char* msg = "I am child...!\n";
//int count = 0;
// 写数据
while (1){
ssize_t s = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
printf("child is sending message...\n");
}
}
else{
// parent
close(pipefd[1]);
char buf[64];
//int count = 0;
while (1){
ssize_t s = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0])-1);
if (s > 0){
buf[s] = '\0';// 字符串后放一个'\0'
printf("father get message:%s", buf);
}
else if (s == 0){
// 读到文件结尾 写端关闭文件描述符 读端会读到文件结尾
printf("father read end of file...\n ");
sleep(5);// 管道大部分时间都是满的，写条件不满足时，写端处于阻塞状态
}
}
}
代码运行结果如下： 写端写了一会后，管道满了，此时写端处于阻塞状态
总结： 当写条件不满足时，写端处于阻塞状态
- 关闭写端 让写端先写5秒，然后关闭写端，观察现象
// child
// 关闭读端
close(pipefd[0]);
const char* msg = "I am child...!\n";
int count = 0;
// 写数据
while (1){
ssize_t s = write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
printf("child is sending message...\n");
printf("CHILD: %d\n", count++);
if (count == 5){
close(pipefd[1]);
exit(-1);
}
sleep(1);
}
// parent
close(pipefd[1]);
char buf[64];
while (1){
ssize_t s = read(pipefd[0], buf, sizeof(buf)/sizeof(buf[0])-1);
if (s > 0){
buf[s] = '\0';// 字符串后放一个'\0'
printf("father get message:%s", buf);
sleep(5);// 管道大部分时间都是满的，写条件不满足时，写端处于阻塞状态
}
else if (s == 0){
// 读到文件结尾 写端关闭文件描述符 读端会读到文件结尾
printf("father read end of file...\n ");
}
}
代码运行结果如下： 3s后，关闭写端，读端会读到文件结尾
总结： 如果关闭写端，读端进程会读到文件结尾
- 关闭读端 5秒后关闭读端
#include 代码运行结果如下： 可以看出，关闭读端后，子进程收到操作系统发送的13号信号（SIGPIPE）杀死
总结： 读端关闭，写端进程会被操作系统发送信号杀死。
为什么写端进程会被OS杀死？
操作系统不做任何浪费空间和低效的事情，如果读端关闭，那么写还有什么意义呢？所以操作系统会通过信号把写端进程干掉
读写规则总结：
- 当没有数据可读时
O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。 - 当管道满的时候
O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN - 如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0
- 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出
- 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
- 当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。
管道的特点
有以下几点：
- 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创
建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。 - 管道提供流式服务。也就是你想往管道里读写多少数据是根据自身来定的
- 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
- 一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥
- 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。
全双工和半双工：
- 半双工是指传输过程中同时只能向一个方向传输，一方的数据传输结束之后，另外一方再回应。双方传输数据是不可以同时进行的。
- 全双工是指两方能同时发送和接受数据。在这种情况下就没有拥堵的危险，数据的传输也就更快。
命名管道
概念： 命名管道是一种特殊类型（符号性）的文件。在不相关（没有亲缘关系）的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，
创建命名管道FIFO–mkfifo
命名管道可以通过命令行创建，指令如下：
mkfifo filename
也可以通过mkfifo函数创建：
函数原型：
#include#include int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 功能： 创建一个命名管道
参数：
pathname: 管道名称
mode: 权限
返回值： 创建成功返回0，失败返回-1
实例演示
实例1： 使用命令创建管道
实例2： 使用mkfifo函数创建
#include 代码运行结果如下：
匿名管道读写规则
- 如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回成功 - 如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO
使用匿名管道
接下来，我会创建两个文件，一个是server.c，还有一个是client.c，用两个进程来模拟客户端和服务端进行通信，客户端往管道发消息，服务端读消息。
两段代码如下：
client.c
#include server.c
#include 注意，这里我们需要先将服务进程跑起来，这样管道才可以被创建，以读得方式打开管道，然后将客户端进程跑起来，以写的方式打开管道。客户端只要不写入数据，服务端读会处于阻塞状态，如果客户端退出，此时管道为空，服务端会读到文件结尾，此时read返回0，让服务端进程也退出。
代码运行结果如下：
两个进程通信时，我们查看fifo的大小：
可以发现，管道的大小没有发生变化。其实两个进程通信是在内存中进行的，并没有把数据写到管道中，因为管道只是一个符号性的文件。如果是在管道写数据，那么IO次数会很多，效率太低了。
命名管道和匿名管道的区别
- 匿名管道由pipe函数创建并打开。
- 命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
- FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义
system V共享内存
认识共享内存
共享内存区是最快的IPC形式。共享内存是在物理内存上申请一块空间，再让两个进程各自在页表建立虚拟地址和这块空间的映射关系。这样两个进程看到的就是同一份资源，这一份资源就叫做共享内存。
共享内存的数据结构： 其中shm_perm这个结构体中有key值（共享内存唯一标识符）
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};
共享内存函数
两个进程通过共享内存进行通信需要经过以下几个步骤：
- 创建共享内存
- 将两个进程关联到共享内存
- 取消两个进程和共享内存的关联
- 删除共享内存
注意： 前两个步骤是为了让两个进程实现通信，后面两个步骤是释放共享内存空间，要不然就会内存泄漏了。（与我们之前用的malloc是类似的）
下面介绍共享内存函数：
- ftok——获取一个共享内存的唯一标识符
函数原型：
#include#include key_t ftok(const char *pathname, int proj_id); 功能： 获取一个共享内存的唯一标识符key
函数参数：
pathname:可以传入任何文件名
proj_id:只有是一个非0的数都可以
返回值：
成功返回key值，失败返回-1
- shmget——创建共享内存
函数原型：
#include#include int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); 功能： 创建共享内存
函数参数：
key:传入ftok函数获取的共享内存唯一标识符
size:共享内存的大小（页（4kb）的整数倍）
shmflg:权限，由9个权限标准构成
这里介绍两个选项
IPC_CREAT： 如果底层存在这个标识符的共享内存空间，就打开返回，不存在就创建
IPC_EXCL： 如果底层存在这个标识符的共享内存空间，就出错返回
两个选项合起来用就可以穿甲一个权限的共享内存空间
返回值：
成功返回共享内存标识码值（给用户看的），失败返回-1
- shmat——将共享内存空间关联到进程地址空间
函数原型：
#include#include void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); 功能： 将共享内存空间关联到进程地址空间
参数：
shmid:共享内存标识符
shmaddr:指定连接地址。
shmfig:两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值： 成功返回一个指针（虚拟地址空间中共享内存的地址，是一个虚拟地址），失败返回-1
说明：
shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址
shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。
shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整> 数倍。公式：shmaddr -(shmaddr % SHMLBA)
shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存
- shmdt——取消关联
函数原型：
#include#include int shmdt(const void *shmaddr); 功能： 取消共享内存空间和进程地址空间的关联
参数：
shmaddr:共享内存的起始地址（shmat获取的指针）
返回值： 成功返回0，失败返回-1
- shmdt——取消关联
函数原型：
#include#include int shmdt(const void *shmaddr); 功能： 取消共享内存空间和进程地址空间的关联
参数：
shmaddr:共享内存的起始地址（shmat获取的指针）
返回值： 成功返回0，失败返回-1
- shmctl——控制共享内存
函数原型：
#include#include int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); 功能： 控制共享内存
参数：
shmid:共享内存标识符
cmd:命令，有三个
IPC_STAT:把shmid_ds结构中设置为共享内存当前关联值
IPC_SET:把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds数据结构中的值
IPC_RMID:删除共享内存段
buf:指向一个报错这共享内存的模式状态和访问权限的数据结构
返回值： 成功返回0，失败返回-1
实例演示：
实例1： 获取共享内存唯一标识符，并创建一块共享内存
#include 代码运行结果如下：
实例2： 通过指令ipcs -m查看ipc资源
实例3： 通过指令ipcrm -m shmid删除共享内存，IPC的声明周期随内核
实例4： 开辟一块共享内存空间，然后将进程和这块共享内存关联起来，5秒后取消关联并删除共享内存空间
#include 同时打开命令行监控脚本：
while :; do ipcs -m; echo "#####################"; sleep 1;done;
代码运行结果如下： 5秒后，关联数由1变0
使用共享内存实现进程通信
和匿名管道那里一样，这里有client.c和server.c两个文件，还有一个comm.h一个头文件，里面存放两个进程公共的pathname和proj_id，这样两个进程就可以得到相同的共享内存唯一标识符。
这里我们选择使用服务端创建共享内存，然后连接到共享内存，让客户端也连接上这块共享内存，客户端写数据，服务端不断读
代码如下：
comm.h
#pragma once
#include server.c
#include "comm.h"
int main()
{
// 先通过ftok函数 利用pathname和proj_id来生成一个共享内存标识符key，用来标识共享内存（给OS看的）
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
if (key == -1){
// 标识符生成失败
perror("ftol fail");
exit(-1);
}
printf("key:%p\n", key);
// 创建内存空间
// IPC_CREAT 要创建的共享内存如果存在，就打开返回，不存在就创建
// IPC_EXCL 如果底层共享内存已经存在就出错返回
// 结合使用可以创建一个全新的共享内存
int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664);
if (shmid < 0){
perror("shmget");
exit(-1);
}
printf("shmid:%d\n", shmid);
// 连接共享内存(关联)
char* str = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
//sleep(5);
// 服务端每隔一秒在显示器上刷新共享内存段中的数据
while (1){
printf("client say# %s\n", str);
sleep(1);
}
// 取消关联
if (shmdt(str) == -1){
perror("shmdt");
exit(-1);
}
// 删除共享内存段
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
return 0;
}
client.c
#include "comm.h"
int main()
{
// client通过相同的pathname 和 proj_id 可以创建出一个和server.c相同的共享内存唯一标识符
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
if (key == -1){
// 标识符生成失败
perror("ftol fail");
exit(-1);
}
// 直接获取服务端创建的共享内存
int shmid = shmget(key, SIZE, 0);
if (shmid < 0){
perror("shmget");
exit(-1);
}
// 连接共享内存(关联)
char* str = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
// 客户端每个5s在共享内存写数据
char start = 'a';
while (start <= 'z'){
str[start-'a'] = start;
++start;
sleep(3);
}
// 取消关联
if (shmdt(str) == -1){
perror("shmdt");
exit(-1);
}
return 0;
}
代码运行结果如下：
客户端每3s往共享内存多写入一个字符，服务端不断读取共享内存的数据。当其中一个进程终止，并不会影响另一个进程。
结论： 共享内存底层不提供任何同步与互斥的机制
总结
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