Linux下C编程 进程通信 (IPC)
本文转自：http://www.cppblog.com/bigsml/archive/2009/03/04/10847.html
在Linux中存在下面几种进程间通信方式:
1.POSIX无名信号量
2.System V信号量
3.System V消息队列
4.System V共享内存
5.管道(FIFO)
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1。POSIX无名信号量
如果你学习过操作系统,那么肯定熟悉PV操作了.PV操作是原子操作.也就是操作是不可以中断的,在一定的时间内,只能够有一个进程的代码在CPU上面执行.在系统当中,有时候为了顺利的使用和保护共享资源,大家提出了信号的概念. 假设我们要使用一台打印机, 如果在同一时刻有两个进程在向打印机输出,那么最终的结果会是什么呢.为了处理这种情况,POSIX标准提出了有名信号量和无名信号量的概念,由于 Linux只实现了无名信号量,我们在这里就只是介绍无名信号量了. 信号量的使用主要是用来保护共享资源,使的资源在一个时刻只有一个进程所拥有.为此我们可以使用一个信号灯.当信号灯的值为某个值的时候,就表明此时资源不可以使用.否则就表>示可以使用. 为了提供效率,系统提供了下面几个函数
POSIX的无名信号量的函数有以下几个:
int sem_destroy(sem_t * sem);
int sem_wait(sem_t * sem);
int sem_trywait(sem_t * sem);
int sem_post(sem_t * sem);
int sem_getvalue(sem_t * sem);
sem_init创建一个信号灯,并初始化其值为value.pshared决定了信号量能否在几个进程间共享.由于目前Linux还没有实现进程间共享信号灯,所以这个值只能够取0.
sem_destroy是用来删除信号灯的.
sem_wait调用将阻塞进程,直到信号灯的值大于0.这个函数返回的时候自动的将信号灯的值的件一.
sem_post和sem_wait相反,是将信号灯的内容加一同时发出信号唤醒等待的进程..
sem_trywait和sem_wait相同,不过不阻塞的,当信号灯的值为0的时候返回EAGAIN,表示以后重试.
sem_getvalue得到信号灯的值.
由于Linux不支持,我们没有办法用源程序解释了.
2。System V信号量
信号灯的主要用途是保护临界资源(在一个时刻只被一个进程所拥有). System V信号量的函数主要有下面几个.
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
int semctl( int semid, int semnum, int cmd,union semun arg);
int semop( int semid, struct sembuf * spos, int nspos);
struct sembuf{
short sem_num; /* 使用那一个信号 */
short sem_op; /* 进行什么操作 */
short sem_flg; /* 操作的标志 */
};
ftok函数是根据pathname和proj来创建一个关键字.
semget创建一个信号量.成功时返回信号的ID,key是一个关键字,可以是用ftok创建的也可以是IPC_PRIVATE表明由系统选用一个关键字. nsems表明我们创建的信号个数.semflg是创建的权限标志,和我们创建一个文件的标志相同.
semctl对信号量进行一系列的控制.semid是要操作的信号标志,semnum是信号的个数,cmd是操作的命令.经常用的两个值是:SETVAL(设置信号量的值)和IPC_RMID(删除信号灯).arg是一个给cmd的参数.
semop是对信号进行操作的函数.semid是信号标志,spos是一个操作数组表明要进行什么操作,nspos表明数组的个数. 如果 sem_op大于0,那么操作将sem_op加入到信号量的值中,并唤醒等待信号增加的进程. 如果为0,当信号量的值是0的时候,函数返回,否则阻塞直到信号量的值为0. 如果小于0,函数判断信号量的值加上这个负值.如果结果为0唤醒等待信号量为0的进程,如果小与0函数阻塞.如果大于0,那么从信号量里面减去这个值并返回.
下面我们一以一个实例来说明这几个函数的使用方法.
#define PERMS S_IRUSR|S_IWUSR
void init_semaphore_struct(struct sembuf * sem, int semnum, int semop, int semflg)
{
/* 初始话信号灯结构 */
sem -> sem_num= semnum;
sem -> sem_op= semop;
sem -> sem_flg= semflg;
}
int del_semaphore(int semid)
{
/* 信号灯并不随程序的结束而被删除,如果我们没删除的话(将1改为0)
可以用ipcs命令查看到信号灯,用ipcrm可以删除信号灯的
*/
#if 1
return semctl(semid,0 ,IPC_RMID);
#endif
}
int main(int argc, char **argv)
{
char buffer[MAX_CANON],* c;
int i,n;
int semid,semop_ret,status;
pid_t childpid;
struct sembuf semwait,semsignal;
if ((argc!= 2 ) || ((n= atoi(argv[1 ])) < 1 ))
{
fprintf(stderr, " Usage:%s number\n\a " ,argv[ 0 ]);
exit( 1 );
}
/* 使用IPC_PRIVATE 表示由系统选择一个关键字来创建 */
/* 创建以后信号灯的初始值为0 */
if ((semid= semget(IPC_PRIVATE,1 ,PERMS)) ==- 1 )
{
fprintf(stderr, " [%d]:Acess Semaphore Error:%s\n\a " ,
getpid(),strerror(errno));
exit( 1 );
}
/* semwait是要求资源的操作(-1) */
init_semaphore_struct( & semwait, 0 , - 1, 0 );
/* semsignal是释放资源的操作(+1) */
init_semaphore_struct( & semsignal, 0 , 1 ,0 );
/* 开始的时候有一个系统资源(一个标准错误输出) */
if (semop(semid,& semsignal,1 ) ==- 1 )
{
fprintf(stderr, " [%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a ", getpid(), strerror(errno));
if (del_semaphore(semid)==- 1 )
fprintf(stderr, " [%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a " , getpid(), strerror(errno));
exit( 1 );
}
/* 创建一个进程链 */
for (i= 0 ;i < n;i++ )
if (childpid= fork()) break ;
sprintf(buffer, " [i=%d]-->[Process=%d]-->[Parent=%d]-->[Child=%d]\n " , i,getpid(),getppid(),childpid);
c = buffer;
/* 这里要求资源,进入原子操作 */
while (((semop_ret= semop(semid,& semwait, 1 )) ==-1 ) && (errno ==EINTR));
if (semop_ret==- 1 )
{
fprintf(stderr, " [%d]:Decrement Semaphore Error:%s\n\a ",
getpid(),strerror(errno));
}
else
{
while (* c != ' \0' )fputc( * c ++,stderr);
/* 原子操作完成,赶快释放资源 */
while (((semop_ret= semop(semid,& semsignal,1 )) ==- 1 )&& (errno == EINTR));
if (semop_ret==- 1 )
fprintf(stderr, " [%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a ", getpid(),strerror(errno));
}
/* 不能够在其他进程反问信号灯的时候,我们删除了信号灯 */
while ((wait(& status) ==- 1 )&& (errno == EINTR));
/* 信号灯只能够被删除一次的 */
if (i== 1 )
if (del_semaphore(semid)==- 1 )
fprintf(stderr, " [%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a " , getpid(),strerror(errno));
exit( 0 );
}
3。SystemV消息队列
为了便于进程之间通信,我们可以使用管道通信 SystemV也提供了一些函数来实现进程的通信.这就是消息队列.
int msgsnd( int msgid, struct msgbuf * msgp, int msgsz, int msgflg);
int msgrcv( int msgid, struct msgbuf * msgp, int msgsz,
long msgtype, int msgflg);
int msgctl(Int msgid, int cmd, struct msqid_ds * buf);
struct msgbuf {
long msgtype; /* 消息类型 */
/* 其他数据类型 */
}
msgget函数和semget一样,返回一个消息队列的标志.
msgctl和semctl是对消息进行控制.
msgsnd和msgrcv函数是用来进行消息通讯的.msgid是接受或者发送的消息队列标志. msgp是接受或者发送的内容.msgsz是消息的大小. 结构msgbuf包含的内容是至少有一个为msgtype.其他的成分是用户定义的.对于发送函数msgflg指出缓冲区用完时候的操作.接受函数指出无消息时候的处理.一般为 0. 接收函数msgtype指出接收消息时候的操作.
如果msgtype=0,接收消息队列的第一个消息.大于0接收队列中消息类型等于这个值的第一个消息.小于0接收消息队列中小于或者等于 msgtype绝对值的所有消息中的最小一个消息. 我们以一个实例来解释进程通信.下面这个程序有server和client组成.先运行服务端后运行客户端.
服务端 server.c
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
struct msgtype {
long mtype;
char buffer[BUFFER + 1 ];
};
int main()
{
struct msgtype msg;
key_t key;
int msgid;
if ((key = ftok(MSG_FILE, ' a ' )) ==- 1 )
{
fprintf(stderr, " Creat Key Error:%s\a\n " ,strerror(errno));
exit( 1 );
}
if ((msgid = msgget(key,PERM | IPC_CREAT | IPC_EXCL)) ==- 1 )
{
fprintf(stderr, " Creat Message Error:%s\a\n " ,strerror(errno));
exit( 1 );
}
while ( 1 )
{
msgrcv(msgid, & msg, sizeof ( struct msgtype), 1 , 0 );
fprintf(stderr, " Server Receive:%s\n " ,msg.buffer);
msg.mtype = 2 ;
msgsnd(msgid, & msg, sizeof ( struct msgtype), 0 );
}
exit( 0 );
}
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客户端(client.c)
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
struct msgtype {
long mtype;
char buffer[BUFFER + 1 ];
};
int main( int argc, char ** argv)
{
struct msgtype msg;
key_t key;
int msgid;
if (argc != 2 )
{
fprintf(stderr, " Usage:%s string\n\a " ,argv[ 0 ]);
exit( 1 );
}
if ((key = ftok(MSG_FILE, ' a ' )) ==- 1 )
{
fprintf(stderr, " Creat Key Error:%s\a\n " ,strerror(errno));
exit( 1 );
}
if ((msgid = msgget(key,PERM)) ==- 1 )
{
fprintf(stderr, " Creat Message Error:%s\a\n " ,strerror(errno));
exit( 1 );
}
msg.mtype = 1 ;
strncpy(msg.buffer,argv[ 1 ],BUFFER);
msgsnd(msgid, & msg, sizeof ( struct msgtype), 0 );
memset( & msg, ' \0 ' , sizeof ( struct msgtype));
msgrcv(msgid, & msg, sizeof ( struct msgtype), 2 , 0 );
fprintf(stderr, " Client receive:%s\n " ,msg.buffer);
exit( 0 );
}
注意服务端创建的消息队列最后没有删除,我们要使用ipcrm命令来删除的.
4。SystemV共享内存
还有一个进程通信的方法是使用共享内存.SystemV提供了以下几个函数以实现共享内存.
void * shmat( int shmid, const void * shmaddr, int shmflg);
int shmdt( const void * shmaddr);
int shmctl( int shmid, int cmd, struct shmid_ds * buf);
shmget和shmctl没有什么好解释的.size是共享内存的大小.
shmat是用来连接共享内存的.shmdt是用来断开共享内存的.
shmaddr,shmflg我们只要用0代替就可以了.在使用一个共享内存之前我们调用 shmat得到共享内存的开始地址,使用结束以后我们使用shmdt断开这个内存.
int main( int argc, char ** argv)
{
int shmid;
char * p_addr, * c_addr;
if (argc != 2 )
{
fprintf(stderr, " Usage:%s\n\a " ,argv[ 0 ]);
exit( 1 );
}
if ((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024 ,PERM)) ==- 1 )
{
fprintf(stderr, " Create Share Memory Error:%s\n\a " ,strerror(errno));
exit( 1 );
}
if (fork())
{
p_addr = shmat(shmid, 0 , 0 );
memset(p_addr, ' \0 ' , 1024 );
strncpy(p_addr,argv[ 1 ], 1024 );
exit( 0 );
}
else
{
c_addr = shmat(shmid, 0 , 0 );
printf( " Client get %s " ,c_addr);
exit( 0 );
}
}
这个程序是父进程将参数写入到共享内存,然后子进程把内容读出来.最后我们要使用ipcrm释放资源的.先用ipcs找出ID然后用ipcrm shm ID删除.
5、管道(FIFO)
管道有无名管道和有名管道两种，无名管道一般在父子进程中使用。
无名管道的使用方法一般是：