linux-进程间通信

1 学习目标

• 熟练使用pipe进行父子进程间通信
• 熟练使用pipe进行兄弟进程间通信
• 熟练使用fifo进行无血缘关系的进程间通信
• 使用mmap进行有血缘关系的进程间通信
• 使用mmap进行无血缘关系的进程间通信

2 进程间通信相关概念

2.1 什么是进程间通信

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。

2.2 进程间通信的方式

在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

• 管道 (使用最简单)
• 信号 (开销最小)
• 共享映射区 (无血缘关系)
• 本地套接字 (最稳定)

3 管道-pipe

3.1管道的概念

管道是一种最基本的IPC机制，也称匿名管道，应用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe函数即可创建一个管道。

有如下特质：

• 管道的本质是一块内核缓冲区
• 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
• 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
• 当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。
• 管道的读端和写端默认都是阻塞的。

3.2管道的原理

• 管道的实质是内核缓冲区，内部使用环形队列实现。
• 默认缓冲区大小为4K，可以使用ulimit -a命令获取大小。
• 实际操作过程中缓冲区会根据数据压力做适当调整。

3.3管道的局限性

• 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
• 数据只能在一个方向上流动，若要实现双向流动，必须使用两个管道
• 只能在有血缘关系的进程间使用管道。

3.4创建管道-pipe函数

• 函数作用:
  创建一个管道
• 函数原型:
  int pipe(int fd[2]);
• 函数参数:
  若函数调用成功，fd[0]存放管道的读端，fd[1]存放管道的写端
• 返回值:
  成功返回0；
  失败返回-1，并设置errno值。

函数调用成功返回读端和写端的文件描述符，其中fd[0]是读端，fd[1]是写端，向管道读写数据是通过使用这两个文件描述符进行的，读写管道的实质是操作内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？

3.5父子进程使用管道通信

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（因此也不难推出，只要两个进程中存在血缘关系，这里的血缘关系指的是具有共同的祖先，都可以采用管道方式来进行通信）。父子进程间具有相同的文件描述符，且指向同一个管道pipe，其他没有关系的进程不能获得pipe（）产生的两个文件描述符，也就不能利用同一个管道进行通信。

第一步：父进程创建管道

第二步：父进程fork出子进程

第三步：父进程关闭fd[0]，子进程关闭fd[1]

创建步骤总结：

• 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]和fd[1]，分别指向管道的读端和写端。
• 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管。
• 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出，这样就实现了父子进程间通信。

3.6 管道练习

• 一个进程能否使用管道完成读写操作呢？
• 使用管道完成父子进程间通信？
• 父子进程间通信, 实现ps aux | grep bash
  使用execlp函数和dup2函数
  

/*
 * @Descripttion: 使用pipe完成ps aux | grep bash
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-21 16:50:31
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-21 17:52:46
 */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char **argv)
{

    int fd[2];
    int ret = pipe(fd);
    if (ret < 0)
    {
        perror("pipe error");
        return -1;
    }
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork error");
    }
    else if (pid > 0)
    {
        close(fd[0]);
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
        execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
        perror("excelp error");
        wait(NULL);
    }
    else
    {
        close(fd[1]);
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
        execlp("grep", "grep", "bash", NULL);
        perror("execlp error");
    }
    return 0;
} 

• 兄弟进程间通信, 实现ps aux | grep bash
  使用execlp函数和dup2函数
  父进程要调用waitpid函数完成对子进程的回收

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

int main()
{
	int fd[2];
	int ret;
	pid_t pid;

	//创建一个管道
	ret = pipe(fd);
	if(ret<0)
	{
		perror("pipe error");
		return -1;
	}

	int i = 0;
	int n = 2;
	for(i=0; i<n; i++)
	{
		//创建子进程
		pid = fork();
		if(pid<0)
		{
			perror("fork error");
			return -1;
		}
		else if(pid==0)
		{
			break;
		}

	}

	if(i==n)
	{
		close(fd[0]);	
		close(fd[1]);	

		pid_t wpid;
		int status;

		while(1)
		{
			//等待回收子进程
			wpid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);	
			if(wpid==0) //没有子进程退出
			{
				sleep(1);
				continue;
			}
			else if(wpid==-1) //已经没有子进程
			{
				printf("no child is living, wpid==[%d]\n", wpid);
				exit(0);
			}
			else if(wpid>0)
			{
				if(WIFEXITED(status)) //正常退出
				{
					printf("child normal exited, status==[%d]\n", WEXITSTATUS(status));
				}
				else if(WIFSIGNALED(status)) //被信号杀死
				{
					 printf("child killed by signo==[%d]\n", WTERMSIG(status));
				}
			}
			
		}
	}
	
	//第一个子进程
	if(i==0)
	{
		
		close(fd[0]);

		//将标准输出重定向到管道到写端
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);
		execlp("ps", "ps", "aux", NULL);
		perror("execlp error");

		close(fd[1]);
	}

	//第二个子进程
	if(i==1)
	{
		printf("child: fpid==[%d], cpid==[%d]\n", getppid(), getpid());
		close(fd[1]);

		//将标准输入重定向到管道到读端
		dup2(fd[0], STDIN_FILENO);
		execlp("grep", "grep", "--color", "bash", NULL);
		perror("execlp error");

		close(fd[0]);
	}

	return 0;
}

3.7 管道的读写行为

• 读操作
  • 有数据：read正常读，返回读出的字节数
  • 无数据：写端全部关闭：read解除阻塞，返回0, 相当于读文件读到了尾部；没有全部关闭：read阻塞。
• 写操作
  • 读端全部关闭：管道破裂，进程终止, 内核给当前进程发SIGPIPE信号
  • 读端没全部关闭：缓冲区写满了，write阻塞；缓冲区没有满，继续write。

3.8 如何设置管道为非阻塞

默认情况下，管道的读写两端都是阻塞的，若要设置读或者写端为非阻塞，则可参考下列三个步骤进行：
第1步： int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL, 0);
第2步： flag |= O_NONBLOCK;
第3步： fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);
若是读端设置为非阻塞：

• 写端没有关闭，管道中没有数据可读，则read返回-1；
• 写端没有关闭，管道中有数据可读，则read返回实际读到的字节数
• 写端已经关闭，管道中有数据可读，则read返回实际读到的字节数
• 写端已经关闭，管道中没有数据可读，则read返回0

3.9 如何查看管道缓冲区大小

• 命令
  ulimit -a
• 函数

long fpathconf(int fd, int name);
printf("pipe size==[%ld]\n", fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF));
printf("pipe size==[%ld]\n", fpathconf(fd[1], _PC_PIPE_BUF));

4 FIFO

4.1 FIFO介绍

FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间通信。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。
FIFO是Linux基础文件类型中的一种（文件类型为p，可通过ls -l查看文件类型）。但FIFO文件在磁盘上没有数据块，文件大小为0，仅仅用来标识内核中一条通道。进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核缓冲区，这样就实现了进程间通信。

4.2 创建管道

• 方式1-使用命令 mkfifo
  命令格式： mkfifo 管道名
  例如：mkfifo myfifo
• 方式2-使用函数
  int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
  参数说明和返回值可以查看man 3 mkfifo

当创建了一个FIFO，就可以使用open函数打开它，常见的文件I/O函数都可用于FIFO。如：close、read、write、unlink等。
FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

4.3 使用FIFO完成两个进程通信

• 使用FIFO完成两个进程通信的示意图
  

思路：

• 进程A：
  • 创建一个fifo文件：myfifo
  • 调用open函数打开myfifo文件
  • 调用write函数写入一个字符串如：“hello world”（其实是将数据写入到了内核缓冲区）
  • 调用close函数关闭myfifo文件
• 进程B：
  • 调用open函数打开myfifo文件
  • 调用read函数读取文件内容（其实就是从内核中读取数据）
  • 打印显示读取的内容
  • 调用close函数关闭myfifo文件

注意：myfifo文件是在进程A中创建的，如果先启动进程B会报错。思考一下如何解决这个问题呢？？？

进程A写入数据

/*
 * @Descripttion: 
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-22 16:54:53
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-22 17:33:56
 */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char **argv)
{

    // int access(const char *pathname, int mode);
    int ret = access("./myfifo", F_OK);
    if (ret == -1)
    { 
        //文件不存在
        // int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
        ret = mkfifo("./myfifo", 0777);
        if (ret == -1)
        {
            perror("mkfifo error:");
            return -1;
        }
    }

    int fd = open("./myfifo",O_RDWR);
    if (fd == -1){
        perror("open error:");
        return -1;
    }

    write(fd,"hello world!\n",sizeof("hello world"));
    
    sleep(20);
    close(fd);

    return 0;
}

进程B读取数据

/*
 * @Descripttion: 
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-22 16:54:53
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-22 18:01:43
 */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char **argv)
{

    // int access(const char *pathname, int mode);
    int ret = access("./myfifo", F_OK);
    if (ret == -1)
    { 
        //文件不存在
        // int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
        ret = mkfifo("./myfifo", 0777);
        if (ret == -1)
        {
            perror("mkfifo error:");
            return -1;
        }
    }

    int fd = open("./myfifo",O_RDWR);
    if (fd == -1){
        perror("open error:");
        return -1;
    }

    char str[20];
    memset(str,0,sizeof(str));
    read(fd,str,sizeof(str));
    printf("read is %s",str);
    
    close(fd);
    return 0;
}

5 内存映射区

5.1 存储映射区介绍

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节；将数据写入缓冲区，则会将数据写入文件。这样，就可在不使用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

使用存储映射这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

5.2 mmap函数

• 函数作用:
  建立存储映射区
• 函数原型
  void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
• 函数返回值：
  成功：返回创建的映射区首地址；
  失败：MAP_FAILED宏
• 参数：
  • addr: 指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定
  • length：映射到内存的文件长度
  • prot： 映射区的保护方式, 最常用的:
    读：PROT_READ
    写：PROT_WRITE
    读写：PROT_READ | PROT_WRITE
  • flags： 映射区的特性, 可以是
    MAP_SHARED: 写入映射区的数据会写回文件, 且允许其他映射该文件的进程共享。
    MAP_PRIVATE: 对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy-on-write), 对此区域所做的修改不会写回原文件。
  • fd：由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。
  • offset：以文件开始处的偏移量, 必须是4k的整数倍, 通常为0, 表示从文件头开始映射。

5.3 munmap函数

• 函数作用:
  释放由mmap函数建立的存储映射区
• 函数原型:
  int munmap(void *addr, size_t length);
• 返回值：
  成功：返回0
  失败：返回-1，设置errno值
• 函数参数:
  • addr：调用mmap函数成功返回的映射区首地址
  • length：映射区大小（mmap函数的第二个参数）

5.4 mmap注意事项

• 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作，将文件内容读取到映射区
• 当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
• 映射区的释放与文件关闭无关，只要映射建立成功，文件可以立即关闭。
• 特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以，用于映射的文件必须要有实际大小；mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
• munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
• 文件偏移量必须为0或者4K的整数倍
• mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

5.5 有关mmap函数的使用总结

• 第一个参数写成NULL
• 第二个参数要映射的文件大小 > 0
• 第三个参数：PROT_READ 、PROT_WRITE
• 第四个参数：MAP_SHARED 或者 MAP_PRIVATE
• 第五个参数：打开的文件对应的文件描述符
• 第六个参数：4k的整数倍

5.6 mmap函数相关思考题

• 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?
• 如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？
• mmap映射完成之后, 文件描述符关闭，对mmap映射有没有影响？
• 如果文件偏移量为1000会怎样？
• 对mem越界操作会怎样？
• 如果mem++，munmap可否成功？
• mmap什么情况下会调用失败？
• 如果不检测mmap的返回值，会怎样？

5.7 mmap应用练习

• 练习1：使用mmap完成对文件的读写操作

/*
 * @Descripttion: 使用mmap完成对文件的读写操作，传入第一个参数为文件名,若没传入则使用默认文件"test.log"。
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-22 14:36:29
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-22 15:02:25
 */

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

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd = 0;
    char *filename = NULL;
    if (argc > 1)
    {
        //传入文件名，使用提供文件
        filename = argv[1];
    }
    else
    {
        //使用默认文件名
        filename = "test.log";
    }

    printf("%s\n", filename);

    // int access(const char *pathname, int mode);
    fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0777);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open error:");
    }
    // ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    //使文件大小大于0，mmap函数要求
    write(fd, "1", strlen("1"));

    //获取文件大小
    struct stat statbuf;
    int ret = stat(filename, &statbuf);
    if (ret < 0)
    {
        perror("stat error:");
    }

    //    void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
    //               int fd, off_t offset);
    void *addr = mmap(NULL, statbuf.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (addr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap error");
        return -1;
    }

    memcpy(addr, "hello world!", strlen("hello world!"));

    char *str = (char *)addr;
    printf("read is [%s]\n", str);

    return 0;
}

• 练习:2：使用mmap完成父子进程间通信

  • 图解说明
    

  • 思路

    • 调用mmap函数创建存储映射区，返回映射区首地址ptr
    • 调用fork函数创建子进程，子进程也拥有了映射区首地址
    • 父子进程可以通过映射区首地址指针ptr完成通信
    • 调用munmap函数释放存储映射区

/*
 * @Descripttion: 使用mmap完成父子进程间通信，传入第一个参数为文件名,若没传入则使用默认文件"test.log"。
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-22 14:36:29
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-22 16:46:01
 */

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

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd = 0;
    char *filename = NULL;
    if (argc > 1)
    {
        //传入文件名，使用提供文件
        filename = argv[1];
    }
    else
    {
        //使用默认文件名
        filename = "test.log";
    }

    printf("%s\n", filename);

    // int access(const char *pathname, int mode);
    fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0777);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open error:");
    }
    // ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    //使文件大小大于0，mmap函数要求
    write(fd, "1", strlen("1"));

    //获取文件大小
    struct stat statbuf;
    int ret = stat(filename, &statbuf);
    if (ret < 0)
    {
        perror("stat error:");
    }

    //    void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
    //               int fd, off_t offset);
    void *addr = mmap(NULL, statbuf.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (addr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap error");
        return -1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if(pid < 0){
        perror("fork error:");
    }else if(pid > 0){
        memcpy(addr,"hello world!",strlen("hello world!"));
        wait(NULL);
        munmap(addr,statbuf.st_size);
    }else if(pid == 0){
        char str [20];
        memset(str,0,sizeof(str));
        memcpy(str,addr,strlen(addr));
        printf("read is [%s]\n",str);
    }

    return 0;
}

• 练习3：使用mmap完成没有血缘关系的进程间通
  思路：两个进程都打开相同的文件，然后调用mmap函数建立存储映射区，这样两个进程共享同一个存储映射区。

进程一写文件：

/*
 * @Descripttion: 使用mmap完成没有血缘关系的进程间通，传入第一个参数为文件名,若没传入则使用默认文件"test.log"。
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-22 14:36:29
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-22 16:52:25
 */

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

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd = 0;
    char *filename = NULL;
    if (argc > 1)
    {
        //传入文件名，使用提供文件
        filename = argv[1];
    }
    else
    {
        //使用默认文件名
        filename = "test.log";
    }

    printf("%s\n", filename);

    // int access(const char *pathname, int mode);
    fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0777);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open error:");
    }
    
    // ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    //使文件大小大于0，mmap函数要求
    write(fd, "1", strlen("1"));

    //获取文件大小
    struct stat statbuf;
    int ret = stat(filename, &statbuf);
    if (ret < 0)
    {
        perror("stat error:");
    }

    //    void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
    //               int fd, off_t offset);
    void *addr = mmap(NULL, statbuf.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (addr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap error");
        return -1;
    }

    char str [20];
    memset(str,0,sizeof(str));
    memcpy(str,addr,strlen(addr));
    printf("read is [%s]\n",str);

    return 0;
}

进程2读

/*
 * @Descripttion: 使用mmap完成没有血缘关系的进程间通，传入第一个参数为文件名,若没传入则使用默认文件"test.log"。
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-22 14:36:29
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-22 16:52:25
 */

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

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd = 0;
    char *filename = NULL;
    if (argc > 1)
    {
        //传入文件名，使用提供文件
        filename = argv[1];
    }
    else
    {
        //使用默认文件名
        filename = "test.log";
    }

    printf("%s\n", filename);

    // int access(const char *pathname, int mode);
    fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0777);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open error:");
    }
    
    // ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
    //使文件大小大于0，mmap函数要求
    write(fd, "1", strlen("1"));

    //获取文件大小
    struct stat statbuf;
    int ret = stat(filename, &statbuf);
    if (ret < 0)
    {
        perror("stat error:");
    }

    //    void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
    //               int fd, off_t offset);
    void *addr = mmap(NULL, statbuf.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (addr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap error");
        return -1;
    }

    char str [20];
    memset(str,0,sizeof(str));
    memcpy(str,addr,strlen(addr));
    printf("read is [%s]\n",str);

    return 0;
}

• 练习4：使用mmap函数建立匿名映射：mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);(父子进程分享)

/*
 * @Descripttion: 测试mmap匿名映射进行亲缘关系通信（推荐）
 * @version: 
 * @Author: Lzy
 * @Date: 2021-07-22 10:43:24
 * @LastEditors: Lzy
 * @LastEditTime: 2021-07-22 14:34:15
 */
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char **argv)
{
    //    void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
    //               int fd, off_t offset);

    void *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (addr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap error");
        return -1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork error");
        return -1;
    }
    else if (pid > 0)
    {
        memcpy(addr, "hello world!", strlen("hello world!"));
        wait(NULL);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        char *p = (char *)addr;
        printf("%s", p);
    }

    return 0;
}