前言

笔者将《unix环境高级编程》主要内容总结为三篇：文件篇，进程篇，高级io和进程间通信三大板块。本文是unix环境高级编程系列文章第三篇：高级IO和进程间通信篇。该篇主要包括：

高级io

先介绍记录锁的概念和记录锁的数据结构。然后介绍阻塞io，非阻塞IO，异步io，IO多路转接等概念，后者都是针对前者更优的技术。IO多路转接技术包括：select，peslect，poll。最后介绍存储映射IO。

进程间通信

介绍了基本进程间通信机制，包括两大类：

• 进程间数据共享：管道，FIFO，消息队列和共享存储
• 进程间数据同步：信号量

网络进程间通信

介绍网络间的进程通信机制：套接字。首先是如何寻址。然后介绍socket编程的连接建立，数据传输等。

高级进程间通信

高级进程间通信提供一种可以在进程间传递文件描述符的机制，包括STREAMS管道和unix域套接字

一. 高级IO

1. 非阻塞IO

1.1 概念

• 非阻塞io使得与磁盘io有关的系统调用永远不会被阻塞
• 这些io相关的系统调用有：open，read，write
• 如果这种操作不能完成，则调用立即出错返回

1.2 如何指定非阻塞io

• 如果调用open获得文件描述符，可指定O_NONBLOCK标识
• 对于已经打开的文件描述符，可调用fcntl，由该函数打开O_NONBLOCK标识

2. 记录锁

2.1 概述

• 概念：当一个进程正在读或修改文件的某个部分时，可以阻止其他进程修改同一文件区
• flock：文件锁，早期的unix只支持锁整个文件，使用该函数
• fcntl：记录锁，允许锁文件中的任意字节数的区域

2.2 fcntl

• cmd：
  • F_GETLK：获取锁信息
  • F_SETLK：设置锁信息
  • F_SETLKW：阻塞版本的F_SETLK
• flockptr：指向flock的指针struct flock{ short l_type;//F_RDLCK共享读锁，F_WRLCK独占写锁，F_UNLCK解锁 off_t l_start;//加锁区域其实位置 short l_whence;//和start一起确定加锁位置 off_t l_len;//加锁长度 pid_t l_pid;//进程id } 复制代码
• 不同锁的兼容性：针对同一把锁。如果不同锁，新锁总是覆盖旧锁

2.3 锁的隐含继承和释放

• 进程终止时，所建立的锁全部释放
• 关闭文件描述符时，文件描述符引用的文件上的任何一把锁都被释放
• fork产生的子进程不继承父类设置的锁
• 执行exec后，新进程可以继承原程序的锁

2.4 FreeBSD中记录锁的数据结构

• v节点表的i节点结构串联起所有的lockf结构
• 每个lockf结构说明了一个给定进程的一个加锁区域
• 在父进程中，关闭任意一个文件描述符，内核都会遍历i节点各项lockf，并释放持有的锁

3. 系统v流机制

3.1 基本概念

• STREAMS是系统V提供的构造内核设备驱动程序和网络协议包的一种通用方法。不同于标准io中的stream
• 流在用户进程和设备驱动程序之间提供一条全双工通路，流无需和实际硬件设备之间会话
• 简单流的基本结构：

3.2 STREAMS消息

• STREAMS的所有输入输出都基于消息
• 流首和用户进程进行消息交换的函数：read，write，ioctl，getmsg，getpmsg，putmsg，putpmsg
• 消息可以顺流而下，也可以逆流而上
• 消息的组成：消息类型，控制信息，数据。控制信息和数据由strbuf指定：

• 消息约有25种，但一般使用的只涉及三种：
  • M_DATA：用户数据
  • M_PROTO：协议控制信息
  • M_PCPROTO：高优先级协议控制信息
• 每个输入STREAMS模块有两个输入队列，一个来自上面模块的消息，另一个来自下面模块的消息
• 流中的消息都有一个排队优先级，通过优先级波段指定

3.3 putmsg和putpmsg

• 用于将STREAMS消息写入流中
• 后者允许指定优先级波段

3.4 getmsg和getpmsg

• 从流首读STREAMS消息

4. IO多路转接

4.1 阻塞io

• 读取一个文件描述符对数据，如果没有数据就一直阻塞住
• 缺点：长时间阻塞在同一个文件描述符，另一个文件描述符虽然有很多数据却得不到及时处理

4.2 非阻塞io

• 将两个文件描述符都设置为非阻塞的
• 对第一个文件描述符发送read，如果该输入上有数据，则读取并处理。如无数据则立即返回。
• 第二个描述符重复上一步操作
• 若干秒后，重复执行以上步骤，即轮询
• 缺点：浪费cpu时间，大多数时间实际上上无数据可读的。轮询的时间间隔也很难确定

4.3 异步io

• 当一个文件描述符已准备好可以进行io时，用一个信号通知它
• 缺点：并发所有的系统都支持，其次这种信号对每个进程而言只有一个

4.4 IO多路转接

• 一种比异步IO更好的处理IO的技术
• 先构造一张有关描述符的图表，然后调用一个函数，直到这些描述符中至少一个准备好io时，该函数才返回。返回时，告诉哪些文件描述符已准备好可以io
• 支持IO多路转接的函数：poll，pselect，select

4.5 select

• readfds：可读描述符集，每一个文件描述符占一位
  • 内部结构视图
  • 描述符集的设置函数

• maxfdp1：最大描述符+1，可设置为FD_SETSIZE（1024）
• writefds：可写描述符集
• exceptfds：异常描述符集
• tvptr：愿意等待的时间
  • NULL：永远等待，捕捉到信号则中断等待
  • 时间每个字段为0：完全不等待，测试指定的文件描述符并立即返回
  • 不为0：实际等待的时间
• 返回值：
  • 返回-1：表示出错，文件描述符没有准备好时收到信号，此时不修改文件描述符
  • 返回0：已经超时了，指定都文件描述符都没有准备好
  • 正数：已经准备好的文件描述符数量（每个文件描述符读写单独各算一次）

4.6 pselect

pselect与select类似，仅仅少部分有差异，如下：

• 超时值的数据结构不同
• pselect超时值为const，不可改变
• 可使用信号屏蔽字

4.7 poll

• poll类似与select，不过接口有所不同
• 不是为每个状态构造文件描述符集，而是构造一个pollfd的数组，数组每个元素指定文件描述符编号和关心的状态

• 参数：
  • events：用户设置关心的事件
  • reevents：内核返回文件描述符事件

5. 异步IO

5.1 概述

异步io并不像select和poll对所有文件描述符都生效

• SystemV系统：只对STREAMS设备和STREAMS管道起作用，发送SIGPOLL信号
• BSD系统：只对终端和网络起作用，发送SIGIO信号

5.2 SystemV异步IO

• 启动异步IO，需要调用ioctl，第二个参数为I_SETSIG
• 同时，在调用ioctl之前建立信号处理程序

5.3 BSD异步IO

异步IO是SIGIO（通用异步io）和SIGURG（通知网络进程数据到达）两个信号的组合

• 调用signal或signalaction为SIGIO建立信号处理程序
• 以命令F_SETOWN调用fcntl设置进程id和进程组id，将接收对于该描述符的信号
• 以命令F_SETFL调用fcntl设置O_ASYNC文件状态标识，使文件描述符上可以进行异步IO

6. readv和writev

• 用于在一次函数调用中读写多个非连续的缓冲区

7. readn和writen

• 按需多此调用read和write，直至读写了N各字节数据
• 使用与读写管道，网络设备或终端数据

8. 存储映射IO

• 使一个磁盘空间与一个存储空间中的缓冲区映射。当从缓冲区取数据，就相当于读文件中的相应字节。写数据到缓冲区相当于自动写入文件。这样就可以不用read和write的情况下执行io
• 文件映射到存储区：

• 更改存储映射区权限：mprotect
• 刷新映射存储区：msync
• 解除存储映射区：munmap

二. 进程间通信

进程间通信机制包括：

• 经典IPC：管道，FIFO，消息队列，信号量，共享存储
• 网络IPC：套接字

1. 管道

1.1 概述

• 最古老的ipc机制
• 管道有两个局限性：
  • 历史上，它是半双工的，即数据只能在一个方向流动。虽然现在某些系统提供全双工，但是为了移植性，不假定它有此特性
  • 他们只能在具有公共祖先的进程之间使用
• 尽管有局限性，半双工管道仍然是最常用的ipc
• 若write写一个尚无进程为读而打开的管道，产生SIGPIPE信号
• 若管道的最后一个写进程关闭该管道，则为管道的读进程产生文件结束标识

1.2 管道的创建

• 参数fields传入两个文件描述符，field[0]为读而打开，field[1]为写而打开，field[1]的输出是field[0]的输入
• 管道模型：

1.3 popen和pclose

• popen先执行fork，然后调用exec以执行cmdstring，并返回标准io文件指针。如果type=“r“，文件指针连接到cmdstring的标准输出。如果type=“w”，文件指针连接到cmdstring的标准输入
• pclose关闭标准io流

1.4 FIFO

• FIFO也成为命名管道，通过FIFO，不相关的进程也能交换数据
• 创建FIFO：

• mode参数与open函数一致
• 非阻塞标准O_NONBLOCK：
  • 没有指定该参数：只读open要阻塞到某个其他进程为写而打开此FIFO
  • 指定该参数：只读open立即返回。没有进程打开FIFO，将出错返回-1
• 类似与管道，若write写一个尚无进程为读而打开的FIFO，产生SIGPIPE信号。若FIFO的最后一个写进程关闭该FIFO，则为FIFO的读进程产生文件结束标识
• PIPE_BUF说明了可被原子写到FIFO的最大数据量
• FIFO的用途
  • 由shell命令使用，以便将数据从一条管道线传到另一条，无需创建中间临时文件
  • 用于客户-服务器进程中，以在客户进程和服务器进程间传递数据

2. XSI IPC

消息队列，信号量和共享存储，这三种IPC称做XSI IPC，他们之间有很多共性，包括：

2.1 标识符和键

• 标识符：唯一标识IPC对象的内部名，非负整数
• 键：IPC对象的外部名，使多个合作进程能在同一个IPC对象上会合。键基本数据类型为key_t
• 客户进程和服务器进程在同一IPC上会合的方法：
  • 服务器进程指定键IPC_PRIVATE创建一个新的IPC结构，将返回的标识符放到某处（文件）给客户进程使用。缺点：要分别读写文件
  • 在公共头文件中定义一个键，服务器进程指定该键创建IPC结构。缺点：可能IPC已经存在，获取时会出错
  • 客户进程和服务器进程认同一个路径名和项目id，接着调用ftok将两个值变换为键，再调用方法2

2.2 权限结构

• XSI IPC为每个IPC结构设置了一个ipc_perm结构，规定了权限和所有者。

2.3 结构限制

• 三种形式的IPC都有内置限制

2.4 优点和缺点

缺点

• IPC结构是在系统范围内起作用的，没有访问计数
• IPC结构在文件系统中没有名字，不能修改属性，不能ls查看IPC对象，不能用rm删除，也不能用chmod修改权限。不能用文件描述符，也就不能使用select，poll模型

优点

• 可靠
• 流是受控的：缓冲区资源紧张，进程就休眠
• 面向记录
• 可以用非先进先出方式处理

特征对比

3. 消息队列

3.1 概述

• 消息的链接表，存放在内核中，由消息队列标识符标识
• 最开始出现的为了提供比一般IPC更高速度的通讯方式，但现在速度上没有优势，已经不再使用了
• 创建或打开队列：msgget
• 发送消息：msgsend
• 获取消息：msgrcv，不一定先进先出，可按消息的类型字段取

3.2 数据结构

• 每个队列相关的数据结构

• 消息队列在各个系统中的参数限制

3.3 msgctl函数

msgctl函数对队列执行多装操作（类似于ioctl，垃圾桶函数）

• cmd：要执行的命令
  • IPC_STATE：获取msgid_ds结构，并放入buf参数
  • IPC_SET：按buf值，设置数据
  • IPC_RMID：删除队列和数据

3.4 msgsend函数

• ptr：指向消息内容指针，消息的组成：
  • 类型：正长整型类型
  • 长度
  • 实际数据
• flag：标志
  • IPC_NOWAIT：非阻塞io

3.5 msgrcv函数

• ptr：获取的数据地址，包括类型和实际数据
• nbytes：数据缓冲区长度
• type：获取哪种消息。
  • type=0：返回队列中第一条消息
  • type>0：返回消息类型为type的第一个消息
  • type<0：返回消息类型小于等于type绝对值的消息
• flag：
  • IPC_NOWAIT：非阻塞

4. 信号量

4.1 概述

• 信号量不同于管道和消息队列，它是一个计数器，用于多进程堆共享数据对象的访问
• 信号量计数操作必须是原子的，通常在内核中实现
• 使用信号量获取共享资源的操作
  • 测试该资源的信号量N
  • 若N为正，则进程可以使用该资源。然后N=N-1，表示使用了一个资源单位
  • 若N=0，则进程休眠，直到N>0才唤醒，然后第一步
  • 当进程不使用共享资源时，N=N+1，如果有进程在休眠等待则唤醒
• XSI信号量相对复杂一些
  • 信号量并发单个非负值，而是一个或多个信号量值的集合
  • 创建信号量和赋值是分开的，不能原子的创建信号集合
  • 即使没有进程在使用信号量，他仍然存在
• 获得一个信号量ID：semget

4.2 数据结构

• 内核为每个信号量集合设置了一个semid_ds结构

• 每个信号量的结构

• 信号量的系统限制

4.3 semctl函数

• 包含多种信号量操作

• cmd：
  • IPC_STAT：取semid_ds结构
  • IPC_SET：设置数据
  • IPC_RMID：删除信号量集合

4.4 信号量与记录锁在liunx的对比

• 记录锁比信号量耗时
• 但如果只锁一个资源，宁可用记录锁。因为他使用简单，进程终止时会自动清理锁

5. 共享存储

5.1 概述

• 共享存储允许两个或更多进程共享给定的存储区
• 数据不需要在进程间复制，是最快的IPC
• 多进程对于同一个存储区，要注意同步访问，通常使用信号量来进行同步
• 获取共享存储区域id：shmget
• 共享存储的位置：栈下面

4.2 数据结构

• 内核为每个共享存储段设置了shmid_ds结构

• 共享存储的系统限制

4.3 shmctl函数

• 包含堆共享存储的多种操作

• 参数同前面

4.4 共享存储的使用

• shmat函数：进程用于连接共享存储到其他的地址空间中

• addr参数：
  • 为0：连接到由内核选择的可以地址上，推荐方式
  • 非0：且没有指定SHM_RND，连接到该地址
  • 非0：指定SHM_RND，将地址向下取最低边界地址倍数
• flag：
  • SHM_RDONLY：只读
  • 其他：读写

4.5 共享存储的释放

• shmdt：脱离该段，但并不删除数据，标识符还在，直到调用shmctl删除

三. 网络进程间通信：套接字

1. 套接字描述符

• 套接字是通信端点的抽象，是用文件描述符实现的
• 创建套接字描述符：

• 关闭套接字：close
• shutdown：禁止套接字上的输入/输出，可只关闭一个方向

2. 寻址

2.1 字节序

• 大端字节序：最大字节地址对应于数字最低有效字节
• 小段字节需：最小字节地址对应于数字最低有效字节
• 各个平台的字节序如下：

• 网络传输中：tcp/ip使用大端字节序

2.2 地址格式

• 地址标识了套接字端点，通用地址格式为：

    struct sockaddr{
        sa_famliy_t sa_famliy;
        char        sa_data[];
    }
复制代码

• 套接字实现可以自由添加aa_data字段以及长度

    //linux实现
    struct sockaddr{
        sa_famliy_t sa_famliy;
        char        sa_data[14];
    }
    //freeBSD实现
     struct sockaddr{
        unsigned char sa_len;
        sa_famliy_t sa_famliy;
        char        sa_data[14];
    }
复制代码

• ipv4套接字通用地址：，实现者可以自由添加额外字段

• ipv6套接字通用地址：实现者可以自由添加额外字段

• sockaddr_int和sockaddr_int6都会被转化为sockaddr结构传入套接字例程中
• 二进制地址与文本格式地址转化：inet_ntop，inet_pton

2.3 地址查询

• 查找给定计算机主机信息：gethostent

• 返回的主机信息数据结构：

• 获取网络名字和网络号

• 获取协议名字和协议号

• 服务名字和端口号映射关系查询

• 将主机名和服务名映射到一个地址

• 地址信息包含的成员

2.4 将套接字与地址绑定

• 客户端套接字关联地址没有太大意义，可以让系统选一个默认地址
• 服务端需要给一个客户端请求的套接字绑定一个众所周知的地址
• 客户端绑定服务端地址的方法：

3. 建立连接

3.1 connect

• connect为客户端调用，用于连接请求
• addr为服务器地址
• 如果sockfd没有绑定地址，connect会给调用者绑定一个默认地址
• 连接可能失败，应用程序必须能处理connect返回的错误

3.2 listen

• listen为服务端调用
• 服务器用listen宣告可以接受连接请求
• backlog：连接请求数量

3.3 accept

• accept获得连接请求，并建立连接
• 返回的文件描述符是套接字描述符，描述符连接到调用connect到客户端
• 新的套接字描述符和原始套接字sockfd具有相同的套接字类型和地址族
• 传给accept的原始套接字没有关联到这个连接，而是继续保存可以状态并接受其他连接请求
• 如果没有连接请求等待处理，accept会阻塞直到有请求到来

4. 数据传输

4.1 send

• 发送数据，类似与write函数
• send比write多了第四个参数flags，用于改变处理数据到传输方式
  • MSG_DONTROUTE：勿将数据路由出本地网络
  • MSG_DONTWAIT：允许非阻塞操作
  • MSG_EOR：记录结束
  • MSG_OOB：外带数据
• sendto函数：类似send。但是sendto允许在勿连接到套接字上指定一个目标地址

4.2 recv

• 获取数据，类似于read函数
• recv比read多了第四个产生flags，用于控制如何接收数据
  • MSG_OOB：接受外带数据
  • MSG_PEEK：返回报文内容而不真正取走报文
  • MSG_TRUNC：即使报文被截短，也返回实际的长度
  • MSG_WAITALL：等待直到所以数据可用

5. 套接字选项

5.1 套接字选项包括

• 通用选项，工作在所有套接字类型上
• 在套接字层次管理的选项，但是依赖底层协议的支持
• 特定与某种协议的选项，为某个协议独有

5.2 设置套接字的函数

6. 带外数据

• 带外数据是一些通信协议支持的可选特征，允许高优先级的数据比普通数据优先传输
• TCP将外带数据成为“紧急数据”

四. 高级进程间通信

1. 概述

• Streams管道和unix套接字，这两种高级IPC，可以在进程间传递文件描述符
• 服务进程可以使他们的打开文件描述符与特定的名字相关联
• 客户进程可以使用这些名字与服务器通信
• 操作系统会为每个客户进程提供一个独自的IPC通道

2. STREAMS管道

• Streams pipe是一个全双工（双向）通道
• 内部结构如下

3. UNIX域套接字

• 用于在同一台机器上运行的进程之间通讯