Linux 进程之间的通信IPC
文章目录
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- 消息队列
- 信号量集
- 共享存储区
- Posiz IPC与System-v IPC
- 其他
- 讨论
- 在linux环境下，进程地址空间相互独立，彼此隔离，因此进程间的数据之间不能访问，如果要交换数据，就必须通过内核，在内核开辟一块缓冲区，进程a把数据从用户空间拷贝到内核缓冲区，进程b再把数据从内核缓冲区中拷贝走，内核提供的这种机制称为进程通信
- 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程序进程，使之能在一个操作系统里同时运行。这使得一个程序能够在同一时间里处理许多用户的要求。因为即使只有一个用户发出要求，也可能导致一个操作系统中多个进程的运行，进程之间必须互相通话。IPC接口就提供了这种可能性。
进程间通信主要包括系统IPC(进程间通信)(包括消息队列,信号量集,共享存储), 套接字(SOCKET),管道（PIPLE)
消息队列
- 消息队列是System V 中的一种进程间的通信机制（信号量、消息队列、共享内存），消息队列就好比是快递柜，发送方发送消息的时候会把要发送的数据放在快递柜中，接收方在方便的时候可以从快递柜中把消息拿出来，在linux系统中，消息队列的本质是内核维护的一片内存
- 消息队列可以有效避免管道的弊端：无名管道的通信需要进程之间有血缘关系，有名管道通信的数据是单向流动的（半双工），并且管道通信智能单播（单对单通信）
- 消息队列有如下特点：①消息队列中的消息是有类型的；②消息队列的消息是有格式的；③消息队列的消息可以随机查看，不一定按照次序读取，可以只读取某一个执行的数据；④消息队列允许多个线程向队列写入或者读取；⑤与管道相同，读取到的消息会被队列删除；⑥消息队列会有消息队列标识符，消息队列标识符在整个系统唯一；⑦只有内核重启或者人工删除消息队列时。消息队列才会被删除，否则消息队列一直存在于系统中；⑧在一个系统中可能有若干个消息队列，由所有的消息队列的头标组成一个头标数组。**
//running.c
#includeint msgget(key_t key, int msgflg)：创建一个新的或打开一个已经存在的消息队列。不同的进程调用此函数，只要用相同的key值就能得到同一个消息队列的标识。key:IPC键值；msgflg：消息队列的权限值和mode_t一样，无可执行权限。相关宏如下：
IPC_CREAT:创建消息队列
IPC_EXCL：监测消息队列是否存在
函数返回值：成功返回消息队列标识符，失败返回-1
消息队列的消息格式：消息队列的消息类型必须是长整型，且必须是结构体的第一个成员，消息下面是消息正文正文可以有多个成员（正文的成员可以是任意类型）如上面代码的struct my_msg_st
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)：将新消息添加到消息队列；msqid：消息队列标识符；msgp: 待发送消息结构体的地址；msgsz：消息正文的字节数；msgflg: 函数的控制属性
0 : msgsnd调用阻塞直到条件满足为止（eg：如果消息队列满了，阻塞；推荐）；
IPC_NOWAIT：若消息没有立即发送则调用该函数的进程会立即返回。
函数返回值：成功返回0，失败返回-1；
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg)：从标识符为msqid的消息队列中接收一个消息。一旦接收消息成功，则消息在消息队列中删除。msqid:消息队列的标识符，代表要从哪个消息队列中获取消息。msgp:存放消息结构体的地址；msgsz:消息正文的字节数；msgtyp:消息的类型、可以有以下几种类型：
msgtyp = 0：返回队列中的第一个消息
msgtyp >0:返回队列中消息类型为msgtyp的消息
msgtyp <0：返回队列中消息类型值小于或等于msgtyp绝对值的消息，如果这种消息有若干个，则取类型值最小的消息。
注意：若消息队列中有多种类型的消息，msgrcv获取消息的时候按消息类型获取，不是先进先出的。在获取某类型消息的时候，若队列中有多条此类型的消息，则获取最先添加的消息，即先进先出原则。
msgflg:函数的控制属性
0 ：msgrcv调用阻塞直到接收消息成功为止
MSG_NOERROR:若返回的消息字节数比nbytes字节数多，则消息就会截短到nbytes字节，且不通知消息发送进程。
IPC_NOWAIT:调用进程会立即返回。若没有收到消息则立即返回-1.
函数返回值：成功返回读取消息的长度，失败返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf)：对消息队列进行各种控制，如修改消息队列的属性，或删除消息队列。msqid:消息队列的标识符；cmd：函数功能的控制
IPC_RMID：删除由msqid指示的消息队列，将它从系统中删除并破坏相关数据结构。
IPC_STAT：将msqid相关的数据结构中各个元素的当前值存入到由buf指向的结构体中。
IPC_SET：将msqid相关的数据结构中的元素设置为由buf指向的结构中的对应值。
buf:msqid_ds数据类型的地址，用来存放或更改消息队列的属性。
函数返回值：成功返回0，失败返回-1
ipcs 命令可以查看系统中已经创建的消息队列；参数：
-m 查看系统共享内存信息
-q 查看系统消息队列信息
-s 查看系统信号量信息
-a 显示系统内所有的IPC信息
移除：
ipcrm -m shmid 移除用shmid标识的共享内存段
ipcrm -s semid 移除用semid标识的信号量
ipcrm -q msgid 移除用msgid标识的消息队列
运行结果：
[cch@aubin ipc]$ gcc running.c -o running
[cch@aubin ipc]$ gcc running2.c -o running2
[cch@aubin ipc]$ ./running
Enter some text:hello
Enter some text:hja
Enter some text:jejje
Enter some text:qkkoq
Enter some text:jwjs
Enter some text:zid
Enter some text:end
[cch@aubin ipc]$
[cch@aubin ipc]$ ./running2
You wrote:hello
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You wrote:end
[cch@aubin ipc]$ ipcs
- 消息的发送
当进程要与其它进程通信时，可利用msgsnd( )系统调用来发送消息。对于msgsnd( )系统调用，核心检查消息队列描述符和许可权是否合法，消息长度是否超过系统规定的长度。 通过检查后，核心为消息分配消息数据区，并将消息从用户消息缓冲区拷贝到消息数据区。分配消息首部，将它链入消息队列的末尾；在消息首部中填写消息的类型、大小以及指向消息数据区的指针等；还要修改消息队列头标中的数据(如消息队列中的消息数、字节数等)。然后，唤醒在等待消息到来的睡眠进程。- 消息的接收
进程可利用msgrcv( )系统调用，从指定消息队列中读一个消息。对于msgrcv( )系统调用，先由核心检查消息队列标识符和许可权，继而根据用户指定的消息类型做相应的处理。消息类型msgtyp的参数可能有三种情况：当msgtyp=0时，核心寻找消息队列中的第一个消息，并将它返回给调用进程；当msgtyp为正整数时，核心返回指定类型的第一个消息；当msgtyp为负整数时，核心应在其类型值小于或等于msgtyp绝对值的所有消息中，选出类型值最低的第一个消息返回。如果所返回消息的大小等于或小于用户的请求，核心便将消息正文拷贝到用户区，再从队列中删除该消息，并唤醒睡眠的发送进程；如果消息长度比用户要求的大，则系统返回出错信息。用户也可忽略对消息大小的限制，此时，核心无需理会消息的大小而一概把消息内容拷贝到用户区。
信号量集
头文件
#include
#include[cch@aubin os]$ cd ipc
[cch@aubin ipc]$ gcc sem.c -o sem
[cch@aubin ipc]$ ./sem
互斥区操作
[cch@aubin ipc]$
int semget(key_t key, int nsems, int semflg)：是 Linux 中的一个系统调用，用于创建或获取一个信号量集的标识符。信号量集是一个包含若干个信号量的数据结构，每个信号量都是一个整型值，用于在进程之间进行同步和互斥。参数：
key：一个整型值，用于标识信号量集。如果 key 为 0，则系统会自动生成一个唯一的 key 值。
nsems：表示信号量集中包含的信号量个数。
semflg：表示创建信号量集的权限和行为。可以使用以下值：
IPC_CREAT：如果信号量集不存在，则创建一个新的信号量集；如果信号量集已存在，则获取它的标识符。
IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用时，如果信号量集已存在，则调用 semget() 函数失败，并返回错误。
返回值：
成功：返回信号量集的标识符。
失败：返回 -1，并设置 errno 为相应的错误码。
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops)：用于对信号量集进行操作的函数。通过修改信号量集中每个信号量的值来实现对信号量的 P 操作和 V 操作。semid 指信号量集的标识符；sops 指向一个信号操作结构体的指针；nsops 为要执行的信号操作的数量。
返回值为 0 表示执行成功，-1 表示执行失败。
struct sembuf
{
unsigned short int sem_num; /* 信号量的序号从 0~nsems-1 */
short int sem_op; /* 对信号量的操作，>0, 0, <0 */
short int sem_flg; /* 操作标识：0， IPC_WAIT, SEM_UNDO */
};
其中，sem_num 为信号量在信号量集中的编号；
sem_op 为要执行的信号操作（P操作或V 操作）的操作数；
sem_flg 为执行信号操作的标志（如是否阻塞等）。
//一个p操作
int sem_id; // 信号量的标识符
struct sembuf sops; // 信号量操作结构体
sops.sem_num = 0; // 信号量的编号（对应信号量集中的第几个信号量）
sops.sem_op = -1; // 要执行的操作（-1 表示 P 操作，1 表示 V 操作）
sops.sem_flg = 0; // 操作标志
semop(sem_id, &sops, 1); // 执行信号量操作
//两个p操作
struct sembuf sops[2];
sops[0].sem_num = 0;
sops[0].sem_op = -1;
sops[0].sem_flg = 0;
sops[1].sem_num = 1;
sops[1].sem_op = -1;
sops[1].sem_flg = 0;
semop(sem_id, sops, 2);
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* arg */)：用于控制信号量集的函数。它支持多种操作，可以用于获取信号量集的属性、设置信号量集的属性、控制信号量的值等。semid：信号量集的标识符。semnum：要操作的信号量的编号。是信号量在信号量集中的编号；cmd 是要执行的命令，后面的参数是根据 cmd 的值而定的。
如果 cmd 为 SETVAL 或 SETALL，则此参数被忽略。
cmd：指定要执行的操作。（操作命令）
可以是以下值之一：
GETVAL：获取信号量的值。
SETVAL：设置信号量的值，取自 arg 的 val 元素。
GETPID：返回最后一个执行 semop 函数的进程的进程号。
GETNCNT：获取当前等待信号量为正值的进程数。
GETZCNT：获取当前等待信号量为 0 的进程数。
GETALL：获取信号量集中所有信号量的值。
SETALL：设置信号量集中所有信号量的值。
IPC_STAT：获取信号量集的属性。
IPC_SET：设置信号量集的属性。
IPC_RMID：删除信号量集。
常用的有：
semctl() 函数有多种用途，常用的命令有以下几种：
GETVAL：获取信号量的值。
SETVAL：设置信号量的值。
IPC_RMID：删除信号量集。
IPC_STAT：获取信号量集的属性。
IPC_SET：设置信号量集的属性。
arg：可变参数，依赖于 cmd 的值而不同。如果 cmd 为 SETVAL 或 SETALL，则 arg 指向一个 int 类型的值，表示要设置的信号量的值。
共享存储区
头文件
#include
#include
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)：创建或获取共享内存； key: 共享内存的键值，是共享内存在系统中的编号，不同共享内存编号不能相同，用十六进制比较好； size: 共享内存的大小，单位byte； shmflg: 共享内存的访问权限，与文件差不多， 0666 | IPC_CREAT 表示所有用户都可读写，IPC_CREAT 表示如果不存在则创建；返回值：成功返回一个id，失败返回-1，并设置errno
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)：将共享内存链接到当前进程的地址空间；shmid: shmflg返回的id；shmaddr: 共享内存链接到当前进程中的地址位置，通常为NULL，表示让系统来选择； shmflg: 标志位，通常为0；返回值：成功返回共享内存段的地址，失败返回 (void *)-1， 并设置errno
int shmdt(const void *shmaddr)：将共享内存从当前进程分离；shmaddr: 共享内存地址，返回值： 成功返回0， 失败返回-1， 设置errno
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)：操作共享内存，可以用来删除一个共享内存；shmid: 共享内存id；cmd: 执行的操作, IPC_RMID表示删除；buf: 设置为NULL；返回值：失败返回-1， 设置errno
//share2.c
#include [cch@aubin ipc]$ gcc share.c -o share
[cch@aubin ipc]$ gcc share2.c -o share2
[cch@aubin ipc]$ ./share2
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[cch@aubin ipc]$ ./share
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[cch@aubin ipc]$
Posiz IPC与System-v IPC
- System-V IPC 接口：来自较早的Unix操作系统，是Unix众多分支中的一员
- Posix IPC 接口：则是来自IEEE所开发的一簇标准，基于Unix的经验和实践所实现的一堆调用服务接口，致力于在多种操作系统之间源代码级别移植。
- Posix IPC和System-V IPC都是应用于系统级的接口，不仅适用于多进程间通信，也适用于多线程间通信。Posix相对于System-V可以说是比较新的标准，语法相对简单。
两者在信号量上的优缺点：
POSIX在无竞争条件下是不会陷入内核的，而System-V IPC则是无论何时都要陷入内核，因此性能稍差。
POSIX的sem_wait函数成功获取信号量后，进程如果意外终止，将无法释放信号量，而System V则提供了SEM_UNDO选项来解决这个问题。因此，相比而言，后者更加可靠。
其他
管道：linux进程管道通信
信号：信号处理signal函数
互斥锁：互斥锁
内存映射：文件内存映射
讨论
使用代码展示信号量、共享内存和消息队列的典型应用场景。
信号量：
#include共享内存：
//share2.c
#include [cch@aubin ipc]$ gcc share.c -o share
[cch@aubin ipc]$ gcc share2.c -o share2
[cch@aubin ipc]$ ./share2
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[cch@aubin ipc]$ ./share
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[cch@aubin ipc]$
消息队列：
//running.c
#include使用代码来显示POSIX信号量和IPC信号量之间的差异。
Posix信号量
#include IPC信号量：
#includeposix信号量：
- posix信号量通常使用sem_open函数创建，信号由斜杠字符/开头的名称标识
- posix信号量可以在进程之间共享，进程可以使用上面的/开头的名称标识打开相同的信号量
- posix信号量支持使用sem_wait（P）、sem_post（V）、sem_close（关闭）等操作
- posix可以使用sem_ulink显示销毁，也可以在最后一个进程使用sem_close关闭信号量的时候自动销毁
System-V IPC信号量：
- 这种信号量通常使用semget系统调用创建，由一个整数标识符标识
- ipc信号量也可以在进程之间共享，但是这种共享是基于整数标识符而不是名称标识符
- ipc信号量的操作是使用semop系统调用来完成的，该调用允许在单个原子操作中执行一组信号量操作。
- ipc信号量使用带有IPC_RMID命令的semctl来删除信号量
在文件一章中，我们讨论了mmap（），它可以用于在进程之间共享内存。您能否将此技术与IPC的共享内存进行比较，并说明哪种技术更适合在进程之间共享大数据。
mmap： mmap是一种将文件内存映射到进程的虚拟地址空间的技术，在这种机制下，文件可以被视为内存的一部分，可以实现程序直接对这部分的内存进行读写操作，实现像访问内存一样对文件进行读写，这种方法提高了处理的效率，简化了文件的操作。
共享内存：共享内存使用的是shmget和shmat；共享内存提供semop，可以用于共享内存的进程之间的同步
二者区别：
数据源和持久化:
mmap: 通过 mmap 映射的数据通常来自文件系统中的文件。这意味着数据是持久化的——即使程序终止，文件中的数据依然存在。当你通过映射的内存区域修改数据时，这些更改最终会反映到磁盘上的文件中。
共享内存：共享内存是一块匿名的（或者有时与特定文件关联的）内存区域，它可以被多个进程访问。与 mmap 映射的文件不同，共享内存通常是非持久的，即数据仅在计算机运行时存在，一旦系统关闭或重启，存储在共享内存中的数据就会丢失。
使用场景:
mmap：mmap 特别适合于需要频繁读写大文件的场景，因为它可以减少磁盘 I/O 操作的次数。它也允许文件的一部分被映射到内存中，这对于处理大型文件尤为有用。
共享内存：共享内存通常用于进程间通信（IPC），允许多个进程访问相同的内存区域，这样可以非常高效地在进程之间交换数据。
性能和效率:
mmap：映射文件到内存可以提高文件访问的效率，尤其是对于随机访问或频繁读写的场景。系统可以利用虚拟内存管理和页面缓存机制来优化访问。
共享内存：共享内存提供了一种非常快速的数据交换方式，因为所有的通信都在内存中进行，没有文件 I/O 操作。
同步和一致性:
mmap：使用 mmap 时，必须考虑到文件内容的同步问题。例如，使用 msync 调用来确保内存中的更改被同步到磁盘文件中。
共享内存：在共享内存的环境中，进程需要使用某种形式的同步机制（如信号量、互斥锁）来避免竞争条件和数据不一致。
简而言之，mmap 主要用于将文件映射到内存以提高文件操作的效率，而共享内存主要用于进程间的高效数据交换。二者虽有相似之处，但各自适用于不同的应用场景，如果文件非常大，以至于无法或不方便完全加载到内存中时，可以使用mmap映射整个文件，并像访问内存数组一样访问文件的任何部分，而无需加载整个文件；如果是进程之间需要快速共享大量数据，可以使用共享内存。