【Linux】进程间通信「建议收藏」
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1. 进程间通信
1.1. 进程间通信的目的
进程之间可能会存在特定的协同工作的场景，而协同就必须要进行进程间通信，协同工作可能有以下场景。
- 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，通知它发生了某种事件。
- 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
1.2. 如何实现进程间通信
由于一个进程是不能访问到另一个进程的资源的，即进程之前是具有独立性的。
那么进程之间要通信，就不能使用属于进程的资源，而应该使用一份公共的资源。
所以进程间通信的本质是：由OS参与，提供一份所以进程都能访问的公共资源。
而公共资源是什么，例如：文件、队列、内存块。
2. 管道通信
2.1. 匿名管道
适用场景：父子进程间通信。
基本原理：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。
2.1.1 创建匿名管道
使用接口
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。
具体代码：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
int pipefd[2] = {0};
if(pipe(pipefd) != 0)
{
perror("pipe");
return 1;
}
// 父进程读取数据，子进程写入数据
// 规定：pipedfd[0]为读取端，pipefd[1]为写入端
if(fork() == 0)
{
//child
close(pipefd[0]);// 关闭读取端
const char* msg = "hello world\n";
while(1)
{
write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
sleep(1);
}
exit(0);
}
// father
close(pipefd[1]);// 关闭写入端
while(1)
{
char buffer[64] = {0};
ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));// 如果read的返回值是0，表示子进程关闭了文件描述符
if(s == 0)
{
printf("child quit\n");
break;
}
else if(s > 0)
{
buffer[s] = 0;// 子进程写入时没有添加'#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
int pipefd[2] = {0};
if(pipe(pipefd) != 0)
{
perror("pipe");
return 1;
}
// 父进程读取数据，子进程写入数据
// 规定：pipedfd[0]为读取端，pipefd[1]为写入端
if(fork() == 0)
{
//child
close(pipefd[0]);// 关闭读取端
const char* msg = "hello world\n";
while(1)
{
write(pipefd[1], msg, strlen(msg));
sleep(1);
}
exit(0);
}
// father
close(pipefd[1]);// 关闭写入端
while(1)
{
char buffer[64] = {0};
ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));// 如果read的返回值是0，表示子进程关闭了文件描述符
if(s == 0)
{
printf("child quit\n");
break;
}
else if(s > 0)
{
buffer[s] = 0;// 子进程写入时没有添加'\0'，需要手动添加
printf("child say：%s",buffer);
}
else
{
printf("read error\n");
break;
}
}
return 0;
}'，需要手动添加
printf("child say：%s",buffer);
}
else
{
printf("read error\n");
break;
}
}
return 0;
}子进程写入数据，父进程读出数据，这样就实现了简单的父子进程间的通信：
问题分析：为什么上面的代码中，需保证读端比写端快？
因为管道是面向字节流的，字符串之间没由规矩分隔符，如果读取速度慢于写入速度，可能读端还没有将整个字符串读完，写端又写入了数据，会导致数据混乱。
2.1.2 . 深入理解匿名管道
匿名管道的五个特点：
- 只能单向通信的信道
- 面向字节流
- 只能在父子进程间通信
- 管道自带同步机制，原子性写入
- 管道也是文件，管道的生命周期随进程
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
int pipefd[2] = {0};
if(pipe(pipefd) != 0)
{
perror("pipe");
return 1;
}
if(fork() == 0)
{
//child
close(pipefd[0]);// 关闭读取端
int count = 0;
char c = 'a';
while(1)
{
write(pipefd[1], &c, 1);
count++;
printf("%d\n", count);
}
exit(0);
}
// father
close(pipefd[1]);// 关闭写入端
while(1)
{
sleep(5);
char buffer[4*1024+1] = {0};
ssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)-1);
buffer[s] = 0;
printf("father take：%s\n", buffer);
}
return 0;
}
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）。
管道读写规则
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。
即匿名管道的四种情况：
- 读端不读或读的慢，写端要等读端
- 读端关闭，写端收到SIGPIPE信号直接终止
- 写端不写或者写的慢，读端要等写端
- 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
2.2. 命名管道
为了解决匿名管道只能在父子进程间通信的缺陷，引入了命名管道。
其性质除了能让任意进程间通信外，与匿名管道基本一致，即创建一个文件一个进程往文件中写数据，一个进程读数据，且不让文件内容刷新到磁盘上，从而实现任意进程间的通信。
2.2.1. 创建命名管道
命令行创建
使用命令 mkfifo 管道
然后使用一个简单的shell脚本，将 hello world 每间隔一秒输入到管道中，然后另一边读取管道中的内容。
通过这种方式，显示不是重点。
代码创建
使用接口：mkfifo
因为是不同进程间的通信，所以这里需要创建两个进程：
comm.h #include<string.h> #include<stdio.h> #include<sys/stat.h> #include<sys/types.h> #include<fcntl.h> #include<unistd.h> #define MY_FIFO "./fifo" server.c #include"comm.h" int main() { umask(0); if(mkfifo(MY_FIFO, 0666) < 0) //创建命名管道 { perror("mkfifo"); return 1; } // 只需要文件操作即可 int fd = open(MY_FIFO, O_RDONLY); if(fd < 0) { perror("open"); return 2; } // 业务逻辑 while(1) { char buffer[64] = {0}; ssize_t s = read(fd, buffer, sizeof(buffer)-1); if(s > 0) { buffer[s] = 0; printf("client-> %s\n", buffer); } else if(s == 0) { printf("client quit...\n"); break; } else { perror("read"); break; } } close(fd); return 0; } client.c #include"comm.h" int main() { int fd = open(MY_FIFO, O_WRONLY); if(fd < 0) { perror("open"); return 1; } // 业务逻辑 while(1) { printf("请输入-> "); fflush(stdout); char buffer[64] = {0}; ssize_t s = read(0, buffer, sizeof(buffer)-1); // 从显示器上读取数据，然后写入到文件中 if(s > 0) { buffer[s-1] = 0; printf("%s\n", buffer); write(fd, buffer, strlen(buffer)); } } return 0; }
运行起来后，就实现了简单的命名管道的通信：
为什么命名管道有名字，而匿名管道没有？
命名管道有名字是为了保证让不同进程看到同一个文件。
匿名管道没有名字，是因为他是通过父子继承放入方式，看到同一份资源不需要名字。
3. 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
- 共享内存
- 消息队列
- 信号量
3.1. 共享内存
3.1.1. 实现原理
- 通过系统调用，在内存中创建一份内存空间
- 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)
- 去关联(挂接)
- 释放共享内存
使用接口：
shmget：申请共享内存 #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> 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 <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> 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 #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> 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 struct_shmid_ds结构体：
shmat、shmdt：关联、去关联共享内存 #include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> 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
命令行查看共享内存：
ipcs -m // ipcs 查看ipc资源
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)
命令行删除共享内存方法：
ipcrm -m shmid
3.1.2. 代码实现
comm.h #include<stdio.h> #include<sys/ipc.h> #include<sys/types.h> #include<sys/shm.h> #include<unistd.h> #include<string.h> #define PATH_NAME "./" #define PROJ_ID 0x6666 #define SIZE 4096 server.c #include"comm.h" int main() { key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID); if(key < 0) { perror("ftok"); return 1; } printf("key-> %x\n", key); int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666); // 创建全新共享内存 if(shmid < 0) { perror("shmget"); return 1; } printf("shmid-> %d\n", shmid); char* mem = (char*)shmat(shmid, NULL, 0); // 通信逻辑 while(1) { printf("%s\n", mem);// 打印mem内存中的内容 sleep(1); } shmdt(mem); shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); return 0; } client.c #include"comm.h" int main() { key_t key = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID); if(key < 0) { perror("ftok"); return 1; } int shmid = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT); if(shmid < 0) { perror("shmget"); return 1; } // 挂接 char* mem = (char*)shmat(shmid, NULL, 0); // 通信逻辑 char c = 'A'; while(c <= 'Z') { mem[c - 'A'] = c; c++; mem[c - 'A'] = 0; sleep(2); } // 去关联 shmdt(mem); //该共享内存不由client创建，所以不用它删除 return 0; }
运行结果：
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。
3.2. 消息队列(了解)
3.2.1 实现原理
接口类似与共享内存，底层是一个队列结构
msgget：创建消息队列 #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> int msgget(key_t key, int msgflg); msgctl：控制消息队列 #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
3.3. 信号量(了解)
什么是信号量？
信号量不是以传输数据为目的，通过共享“资源”的方式，来达到多个进程的同步和互斥的目的！
本质是一个计数器，衡量临界资源中的资源数目。
临界资源：同时被多个进程访问的资源。例如：显示器打印，共享内存，消息队列 临界区：用来访问临界资源的代码，就是临界区。 原子性：执行事件时没有中间过程，且操作不可中断，要么执行完，要么没有执行。 互斥：在任意时刻，只允许一个进程进入临界资源。 同步：两个或多个数据库、文件、模块、线程之间用来保持数据内容一致性的机制。
3.3.1. 实现原理
接口类似共享内存
semget：创建信号量 #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h> int semget(key_t key, int nsems, int semflg); semctl：控制信号量 #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/sem.h> int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
所有的ipc资源都是通过数组组织起来的。
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