【Linux】进程间通信

一、进程间通信的目的

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，通知它（它们）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。

二、管道通信

1.匿名管道

通过打开同一个文件，父子进程对文件进行读写操作，父子进程在文件内核缓冲区中写入或读出数据，从而实现通信

创建匿名管道

pipe：创建一个管道，参数为输出型参数，打开两个文件描述符(fd)，返回值为0表示打开失败。

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
    int pipefd[2]={0};
    //1.创建管道
    int n=pipe(pipefd);
    if(n<0)
    {
        //创建不成功
        std::cout<<"pipe error, "<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout<<"pipefd[0]: "<<pipefd[0]<<std::endl; //读
    std::cout<<"pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl; //写
    //2.创建子进程
    pid_t id=fork();
    assert(id!=-1); //省去判断
    if(id==0)
    {
        //子进程
        //3.关闭不需要的fd   父进程读取，子进程进行写入
        close(pipefd[0]);

        //4.开始通信
        std::string namestr="hello,我是子进程";
        int cnt=1;
        char buffer[1024];
        while(true)
        {
            snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s, 计数器：%d, 我的id: %d",namestr.c_str(),cnt++,getpid());
            write(pipefd[1],buffer,strlen(buffer));
            sleep(1);
        }

        exit(0); //子进程退出
    }
    
    //父进程
    //3.关闭不需要的fd   父进程读取，子进程进行写入
    close(pipefd[1]);

    //4.开始通信
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        //sleep(1);
        int n=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(n>0)
        {
            //读取成功
            buffer[n]='\0';
            std::cout<<"我是父进程, child give me massage: "<<buffer<<std::endl;
            
        }
    }
    return 0;
}

子进程往内核缓冲区中写入数据，父进程读取数据，实现了简单的父子间进程通信。

管道的特点：
1.只能单向通信
2.面向字节流
3.只能在有"血缘"关系的进程中通信
4.管道也是文件，管道的生命周期随进程
5.管道自带同步系统，原子性写入

云服务器中，管道的大小为64KB，写端写满后不会再写，会等读端读取管道内容，且读取4KB后才会重新写入（读端的容量为4KB）

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
    int pipefd[2]={0};
    //1.创建管道
    int n=pipe(pipefd);
    if(n<0)
    {
        //创建不成功
        std::cout<<"pipe error, "<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout<<"pipefd[0]: "<<pipefd[0]<<std::endl; //读
    std::cout<<"pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl; //写
    //2.创建子进程
    pid_t id=fork();
    assert(id!=-1); //省去判断
    if(id==0)
    {
        //子进程
        //3.关闭不需要的fd   父进程读取，子进程进行写入
        close(pipefd[0]);

        //4.开始通信
        std::string namestr="hello,我是子进程";
        int cnt=1;
        char buffer[1024];
        int count=0;
        char c='x';
        while(true)
        {
            //snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s, 计数器：%d, 我的id: %d",namestr.c_str(),cnt++,getpid());
            //write(pipefd[1],buffer,strlen(buffer));
            write(pipefd[1],&c,1);
            count++;
            printf("%d\n",count);
            //sleep(1);
        }

        exit(0); //子进程退出
    }
    
    //父进程
    //3.关闭不需要的fd   父进程读取，子进程进行写入
    close(pipefd[1]);

    //4.开始通信
    char buffer[1024];
    while(true)
    {
        sleep(3);
        int n=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
        if(n>0)
        {
            //读取成功
            buffer[n]='\0';
            std::cout<<"我是父进程, child give me massage: %d,"<<n<<buffer<<std::endl;
            
        }
    }
    return 0;
}

管道的读写规则

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。
 
1.读端不读或读的慢，写端要等读端
2.读端关闭，写端收到SIGPIPE信号直接终止
3.写端不写或者写的慢，读端要等写端
4.写端关闭，读端会读完管道内的数据然后再读，会读到0，表示读道文件结尾

2.命名管道

匿名管道只能解决有 “血缘” 关系的进程之间通信
为解决这一问题，引入命名管道，可以实现没有 “血缘” 关系的进程也可以进行通信，
原理相同，使两个进程看到同一块内存。

①.创建命名管道

命令行创建

代码创建

 umask(0);
 if(mkfifo(pipe, 0666) < 0) //创建命名管道
 {
 	//创建失败
     perror("mkfifo");
     return 1;
 }

②.使用命名管道

进程一

#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define MAX 128

//实现两个进程进行相互通信


int main()
{ 

    //1.打开文件  对fifo文件进行只写
    int fd1=open("fifo",O_WRONLY);
    if(fd1==-1)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("已打开一个管道文件\n");

    char buf[MAX];
    int cnt=5;
    //2.写数据
    while(cnt)
    {
        memset(buf,0,MAX);
        sprintf(buf,"hello linux %d",cnt--);
        int ret=write(fd1,buf,strlen(buf));
        
        printf("write fifo : %d\n",ret);
        sleep(1);
    }
    close(fd1);

    return 0;
}

进程二

#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define MAX 128

int main()
{
    //1.打开管道
    int fd=open("fifo",O_RDONLY);
    if(fd==-1)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("以读方式打开一个管道\n");

    char buf[MAX];
    //2.读数据
    while(1)
    {
        memset(buf,0,MAX);
        int ret=read(fd,buf,MAX);
        if(ret<=0)//读到结尾
        {
            perror("read");
            break;
        }
        printf("buf:%s\n",buf);
    }

    //2.关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

运行两个程序，由此实现了两个进程的通信，如果想要实现相互通信，可以再开一个管道进行操作

三、system V 标准进程间通信

system V：同一主机内的进程间通信方案，在OS层面专门为进程间通信设计的方案

进程间通信的本质：让不同的进程看到同一份资源

system V标准下的三种通信方式 ①共享内存 ②消息队列 ③信号量

1.共享内存

实现原理

1.通过系统调用，在内存中创建一份内存空间
2.通过系统调用，让进程"挂接"到这份新开辟的内存空间上(即在页表上建立虚拟地址与物理地址的映射关系)
3.去关联(挂接)
4.释放共享内存

 

①常用接口

sheget :申请共享内存

返回值

#include 
#include 
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// key：创建共享内存时的算法和数据结构中唯一标识符，由用户自己设定需用到接口ftok
// size：共享内存的大小，建议是4KB的整数倍
// shmflg：有两个选项：IPC_CREAT(0)，创建一个共享内存，如果已经存在则返回共享内存；IPC_EXCL(单独使用没有意义)
// IPC_CREAT|IPC_EXCL(如果调用成功，一定会得到一个全新的共享内存)：如果不存在共享内存，就创建；反之，返回出错
// 返回值：shmdi，描述共享内存的标识符
​
 
#include 
#include 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id); // 算法生成key
// pathname：自定义路径名
// proj_id：自定义项目id

 

shmctl :控制共享内存

返回值

#include 
#include 
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
// shmid：共享内存id
// cmd：控制方式，这里我们只使用IPC_RMID 选项，表示删除共享内存
// buf：描述共享内存的数据结构

 

关联和去关联共享内存

返回值

#include 
#include 
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); // 关联
// shmid：共享内存id
// shmaddr：挂接地址(自己不知道地址，所以默认为NULL)
// shmflg：挂接方式，默认为0
// 返回值：挂接成功返回共享内存起始地址(虚拟地址)，类似C语言malloc
​
    
int shmdt(const void *shmaddr); // 去关联(取消当前进程和共享内存的关系)
// shmaddr：去关联内存地址，即shmat返回值
// 返回值：调用成功返回0，失败返回-1

 

②共享内存的内核数据结构

共享内存是内存，操作系统同时是运行多个进程的，所以操作系统中有多个共享内存同时存在，操作系统如何管理这些内存文件？先描述，后组织，操作系统会定义一个struct shmid_ds的内核数据结构去管理这些打开的贡献内存。

 

③查看删除共享内存

指令查看共享内存:    ipcs -m

system V 的IPC资源，生命周期随内核，只能通过程序员显示释放(或者OS重启)
指令删除共享内存：  ipcrm -m shmid

也可使用指令shmctl进行共享内存删除操作

实现一个小demo通过内存共享实现进程间相互通信

comman.hpp

#ifndef __COMM_HPP__
#define __COMM_HPP__ 

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

using namespace std;



#define PATHNAME "."
#define PROJID 0x6666

const int gsize=4096;


key_t getKey()
{
    key_t k=ftok(PATHNAME,PROJID);
    if(k==-1)
    {
        //失败
        cerr<<"error"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl;
        exit(1);
    }
    return k;
}

string toHex(int x)
{
    char buffer[64];
    snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%x",x);
    return buffer;
}

static int creatShmHelper(key_t k,int size,int flag)
{
    int shmid=shmget(k,size,flag);
    if(shmid==-1)
    {
        // 创建失败
        cerr<<"error: "<<errno<<": "<<strerror(errno)<<endl;
        exit(2);
    }
    return shmid;
}

//创建共享内存
//IPC_CREATE
//单独使用IPC_CREATE:创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建之，如果已经存在，获取已经存在的共享内存并返回
//IPC_EXCL不能单独使用，一般配合IPC_CREATE
//IPC_CREATE | IPC_EXCL  :创建一个共享内存，如果不存在，就创建之，如果已经存在，立马出错返回，如果创建成功，返回创建好的共享内存
int creatShm(key_t k,int size)
{   
    umask(0);
    return creatShmHelper(k,size,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);  //设置权限
}

//获取共享内存
int getShm(key_t k,int size)
{
    return creatShmHelper(k,size,IPC_CREAT);
}

void delShm(int shmid)
{
    int n=shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);
    assert(n!=-1);
    (void)n;
}

char* attachShm(int shmid)
{
    char* start=(char*)shmat(shmid,nullptr,0);  
    return start;
} 

void detachShm(char* start)
{
    int n=shmdt(start);
    assert(n!=-1);
    (void)n;
}


#endif

shmserver.cc

#include"comman.hpp"
#include

int main()
{  
    //1.创建key
    key_t k=getKey();
    cout<<"server:"<<toHex(k)<<endl;

    //2.创建共享内存
    int shmid=creatShm(k,gsize);
    cout<<"server shmid: "<<shmid<<endl;

    //3.将自己和共享内存关联起来
    char * start=attachShm(shmid);

    //通信代码 
     int n=0;
     while(n<=26)
     {
         cout<<"client -> server # "<<start<<endl;
         n++;
         sleep(1);
     }
    //sleep(3);

    //4.将自己和共享内存去关联
    detachShm(start);

    //删除共享内存
    delShm(shmid);
    return 0;
}

shmclient.cc

#include"comman.hpp"
#include

int main()
{
    key_t k=getKey();
    cout<<"client:"<<toHex(k)<<endl;

    int shmid=getShm(k,gsize);
    cout<<"client shmid: "<<shmid<<endl;

    //3.将自己和共享内存关联起来
    char * start=attachShm(shmid);

    char c='A';
    while(c<='Z')
    {
        start[c-'A']=c;
        c++;
        start[c]='\0';
        sleep(1);
    }

    //4.将自己和共享内存去关联
    detachShm(start);

    sleep(5);
    return 0;
}

实现效果

使用共享内存进行通信时，不需要使用read和write 接口。

共享内存是所有进程间通信中速度最快的。

共享内存不提供任何同步或互斥机制，需要程序员自行保证数据安全。

ps: 共享内存在内核中的申请的基本单位是页，内存页的大小为4KB，如果申请4097个字节，内核会分配8KB空间，但实际给使用的内存还是4097个字节。