进程间通信 - 码农教程

进程间通信介绍

进程间通信目的

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（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
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。

进程间通信发展

管道
System V进程间通信
POSIX进程间通信

管道

什么是管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式。
我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”。

匿名管道

#include <unistd.h>
功能:创建一无名管道

原型：
int pipe(int fd[2]);

参数：
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

用例：从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
 
int main( void )
{
    int fds[2];
    char buf[100];
    int len;
 
    if ( pipe(fds) == -1 )
        perror("make pipe"),exit(1);
 
    // read from stdin
    while ( fgets(buf, 100, stdin) ) {
        len = strlen(buf);
        // write into pipe
        if ( write(fds[1], buf, len) != len ) {
            perror("write to pipe");
            break;
        }
        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
        
        // read from pipe
        if ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) {
            perror("read from pipe");
            break;
        }
 
        // write to stdout
        if ( write(1, buf, len) != len ) {
            perror("write to stdout");
            break;
        }
    }
}

用fork来共享管道原理

站在文件描述符角度-深度理解管道

站在内核角度-管道本质

用例：

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#define ERR_EXIT(m) 
do 
{ 
	perror(m); 
	exit(EXIT_FAILURE); 
} while (0)

int main(int argc, char *argv[])
{
	int pipefd[2];
	if (pipe(pipefd) == -1)
		ERR_EXIT("pipe error");

	pid_t pid;
	pid = fork();
	if (pid == -1)
		ERR_EXIT("fork error");
	if (pid == 0) {
		close(pipefd[0]);
		write(pipefd[1], "hello", 5);
		close(pipefd[1]);
		exit(EXIT_SUCCESS);
	}
	close(pipefd[1]);
	char buf[10] = { 0 };
	read(pipefd[0], buf, 10);
	printf("buf=%sn", buf);
	return 0;
}

//运行结果：
buf=hello

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。

管道特点

只能用于具有共同祖先的进程之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。
管道提供流式服务
一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥
管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道

命名管道

管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先的进程间通信。
如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。
命名管道是一种特殊类型的文件

创建一个命名管道

命名管道可以从命令行上创建，命令行方法是使用下面这个命令：

$ mkfifo filename

命名管道也可以从程序里创建，相关函数有：

int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

创建命名管道：

int main(int argc, char *argv[])
{
    mkfifo("p2", 0644);
    return 0;
}

匿名管道与命名管道的区别

匿名管道由pipe函数创建并打开。
命名管道由mkﬁfo函数创建，打开用open
FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式不同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

命名管道的打开规则

如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回成功
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
- O_NONBLOCK disable：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
- O_NONBLOCK enable：立刻返回失败，错误码为ENXIO

system V共享

共享内存区是最快的IPC形式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，换句话说是进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据。

共享内存示意图

共享内存数据结构

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm     shm_perm;   /* operation perms */
    int         shm_segsz;  /* size of segment (bytes) */
    __kernel_time_t     shm_atime;  /* last attach time */
    __kernel_time_t     shm_dtime;  /* last detach time */
    __kernel_time_t     shm_ctime;  /* last change time */
    __kernel_ipc_pid_t  shm_cpid;   /* pid of creator */
    __kernel_ipc_pid_t  shm_lpid;   /* pid of last operator */
    unsigned short      shm_nattch; /* no. of current attaches */
    unsigned short      shm_unused; /* compatibility */
    void            *shm_unused2;   /* ditto - used by DIPC */
    void            *shm_unused3;   /* unused */
};

进程互斥

由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种
关系为进程的互斥
系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。
在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区
特性方面
IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以system V IPC资源的生命周期随内核