[置顶] 简单解析linux下进程通信方法

linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“system V IPC”，通信进程局限在单个计算机内；后者则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来，如图示：如图示：

 其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号；System V IPC包括：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区；Posix IPC包括： Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。有两点需要简单说明一下：1）由于Unix版本的多样性，电子电气工程协会（IEEE）开发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（PSOIX）。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的，而Linux从一开始就遵循POSIX标准；2）BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多Unix版本的单机IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。

图一给出了linux 所支持的各种IPC手段，在本文接下来的讨论中，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下，所有问题的讨论最终都会归结到Linux环境下的进程间通信上来。并且，对于Linux所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本），将主要介绍Posix API。

linux下进程间通信的几种主要手段简介：

1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
2. 信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；
3. 报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
4. 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
5. 信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
6. 套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

----.管道

管道是进程间通信中最古老的方式，它包括无名管道和有名管道两种，前者可用于具有亲缘关系进程间的通信，即可用于父进程和子进程间的通信，后者额克服了管道没有名字的限制，因此，除具有前者所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信，即可用于运行于同一台机器上的任意两个进程间的通信。
无名管道由pipe（）函数创建：

#include <unistd.h>
         int pipe(int filedis[2])；

参数filedis返回两个文件描述符：filedes[0]为读而打开，filedes[1]为写而打开。filedes[1]的输出是filedes[0]的输入。

在Linux系统下，有名管道可由两种方式创建：命令行方式mknod系统调用和函数mkfifo。下面的两种途径都在当前目录下生成了一个名为myfifo的有名管道：

方式一：mkfifo("myfifo","rw");

方式二：mknod myfifo p

生成了有名管道后，就可以使用一般的文件I/O函数如open、close、read、write等来对它进行操作。

 

----消息队列

消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。消息队列用于运行于同一台机器上的进程间通信，它和管道很相似，有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。 我们可以用流管道或者套接口的方式来取代它。

 

----.共享内存

共享内存是运行在同一台机器上的进程间通信最快的方式，因为数据不需要在不同的进程间复制。通常由一个进程创建一块共享内存区，其余进程对这块内存区进行读写。共享内存往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
首先要用的函数是shmget，它获得一个共享存储标识符。

主要操作函数：
  创建信号量
int semget(
key_t key,  //标识信号量的关键字，有三种方法：1、使用IPC——PRIVATE让系统产生， 2、挑选一个随机数，3、使用ftok从文件路径名中产生
int nSemes,  //信号量集中元素个数
int flag  //IPC_CREAT，IPC_EXCL 只有在信号量集不存在时创建
)
成功：返回信号量句柄
失败：返回-1

这个函数有点类似大家熟悉的malloc函数，系统按照请求分配size大小的内存用作共享内存。Linux系统内核中每个IPC结构都有的一个非负整数的标识符，这样对一个消息队列发送消息时只要引用标识符就可以了。这个标识符是内核由IPC结构的关键字得到的，这个关键字，就是上面第一个函数的key。数据类型key_t是在头文件sys/types.h中定义的，它是一个长整形的数据。在我们后面的章节中，还会碰到这个关键字。

使用ftok函数根据文件路径名产生一个关键字
key_t ftok(const char *pathname,int proj_id);
路径名称必须有相应权限 
控制信号量
int semctl(
int semid,  //信号量集的句柄

int semnum,  //信号量集的元素数
int cmd,  //命令    /*union senum arg */ )

成功：返回相应的值
失败：返回-1 
命令详细说明:
cmd:   IPC_RMID 删除一个信号量
IPC_EXCL 只有在信号量集不存在时创建
IPC_SET 设置信号量的许可权
SETVAL 设置指定信号量的元素的值为 agc.val
GETVAL 获得一个指定信号量的值
GETPID 获得最后操纵此元素的最后进程ID
GETNCNT 获得等待元素变为1的进程数
GETZCNT 获得等待元素变为0的进程数  

当共享内存创建后，其余进程可以调用shmat（）将其连接到自身的地址空间中。

void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);

shmid为shmget函数返回的共享存储标识符，addr和flag参数决定了以什么方式来确定连接的地址，函数的返回值即是该进程数据段所连接的实际地址，进程可以对此进程进行读写操作。

使用共享存储来实现进程间通信的注意点是对数据存取的同步，必须确保当一个进程去读取数据时，它所想要的数据已经写好了。通常，信号量被要来实现对共享存储数据存取的同步，另外，可以通过使用shmctl函数设置共享存储内存的某些标志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等来实现。

 

----信号量

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是前一节的共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：

（1） 测试控制该资源的信号量。

（2） 若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将进号量减1。

（3） 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。

（4） 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。

维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include /linux /sem.h中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获得一个信号量ID。
int semget(key_t key, int nsems, int flag);

key是前面讲过的IPC结构的关键字，它将来决定是创建新的信号量集合，还是引用一个现有的信号量集合。nsems是该集合中的信号量数。如果是创建新集合（一般在服务器中），则必须指定nsems；如果是引用一个现有的信号量集合（一般在客户机中）则将nsems指定为0。

semctl函数用来对信号量进行操作。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);

不同的操作是通过cmd参数来实现的，在头文件sem.h中定义了7种不同的操作，实际编程时可以参照使用。

semop函数自动执行信号量集合上的操作数组。

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

semoparray是一个指针，它指向一个信号量操作数组。nops规定该数组中操作的数量。

下面，我们看一个具体的例子，它创建一个特定的IPC结构的关键字和一个信号量，建立此信号量的索引，修改索引指向的信号量的值，最后我们清除信号量。

----.套接字

    套接字（socket）编程是实现Linux系统和其他大多数操作系统中进程间通信的主要方式之一。我们熟知的WWW服务、FTP服务、TELNET服务等都是基于套接口编程来实现的。除了在异地的计算机进程间以外，套接口同样适用于本地同一台计算机内部的进程间通信。

 

一般来说，linux下的进程包含以下几个关键要素：

• 有一段可执行程序；
• 有专用的系统堆栈空间；
• 内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；
• 具有独立的存储空间

进程和线程有时候并不完全区分，而往往根据上下文理解其含义。