程序员经验分享-hwhale

36.Linux 应用层开发--进程间通讯

2023-05-16

最近因为项目原因耽误了一些时间，导致进程间的通讯一直没有来的及学习及整理。在我们之前学过进程相关的概念和操作，还学习了轻量级的进程的线程，在我们之后的开发和面试中，多线程，多进程开发都是非常重要的，那么进程间通讯的机制是非常重要的，那么linux中进程间有哪些通讯方式呢？接下来我们详细的开始学习一下。

目前的linux中包含很多种的通信机制，现在的进程通讯可谓是集百家之长，从各种机制中继承而来。详细的发展历程就不说了，感兴趣的可以理解一下。可以通过下面的框图大概的理解一下关系。

看到这么些通讯方式，回想到了之前的线程间通讯中也有信号量，那里面学习的信号量属于POSIX信号量中的无名信号量。

今天学习的属于system v IPC的信号量，其实这两种信号量原理上是一样的，都是用来进行同步，他们只是在实现的机制上有所不同，我们不必纠结，直接学习就可以了。

下面我们先开始UNIX 系统IPC最古老的形式的无名管道和有名管道，然后再学习system v iPC的消息队列，信号量及共享内存。

一.管道

管道有无名管道（主要用在父子进程间）和有名管道（无亲缘关系也可以）。

无名管道呢速度慢，容量有限。有名管道进程通讯都可以，只是速度也比较慢。

无名管道

1.无名管道特点：

1>它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。

2>它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。

3>它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中.

2.无名管道的读写特性：

1>读无名管道

写端存在，有数据读取，无数据阻塞

写端不存在，无数据立即返回

2>写无名管道

写无名管道，读端存在有空间写，无空间阻塞

读端不存在，管道破裂。

3.如何获取无名管道的大小

int main(){
	int pfd[2];
	pid_t pid;
	int re;
	int i;
	re = pipe(pfd);
	if(re == -1){
		perror("pipe");
		return -1;
	}
	for(i=0;i<1000000;i++){
		write(pfd[1],"a",1);
		printf("i=%d\n",i);
	}
}

一直到阻塞，就可以看出管道有多大。

4.无名管道的读写

int main(){
	int pfd[2];
	pid_t pid;
	int re;
	char buf[NUM];
	if(pipe(pfd)<0){
		perror("pipe");
		return 0;
	}
	pid = fork();
	if(pid<0){
		perror("fork");
		return 0;
	}else if(pid ==0){
	    while(1){
			stpcpy(buf,"pipe test from child");
			write(pfd[1],buf,strlen(buf));
			sleep(1);
		}
	}else{
		while(1){
			memset(buf,0,NUM);
			re = read(pfd[0],buf,NUM);
			if(re>0){
				printf("buf=%s\n",buf);
			}
		}
	}
	
}

 

有名管道

1.有名管道读写操作：

写端

int main(){
	int re;
	int fd;
	char buf[32];
	unlink("/myfifo");
	re = mkfifo("/myfifo",0666);
	if(re==-1){
		perror("mkfifo");
		return -1;
	}
	fd = open("/myfifo",O_WRONLY);
	if(fd<0){
		perror("open");
		return -1;
	}
	strcpy(buf,"fifo write test");
	while(1){
		write(fd,buf,strlen(buf));
		sleep(1);
	}
}

读端

int main(){
	int re;
	int fd;
	char buf[32];
	fd = open("/myfifo",O_RDONLY);
	if(fd<0){
		perror("open");
		return -1;
	}
	while(1){
		memset(buf,0,32);
		read(fd,buf,32);
		printf("%s\n",buf);
		sleep(1);
	}
}

二.信号

这里说的信号和我们的信号量不是一回事，信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式。linux内核通过信号通知用户进程，不同的信号类型代表不同的事件，比如我们使用ctrl+C 来结束终端的运行 ，kill杀死一个进程都是信号的应用。

1.进程对信号有不同的响应方式

 缺省方式（给你信号一个默认的处理程序）

 忽略信号（忽略你给的信号）

 捕捉信号(来了信号之后，执行自己定义的代码)

2.常用的信号：

终端下，执行一个应用程序，当关闭终端的时候，终端就会发送sighup信号给应用程序

，让进程终止。

如我们使用ctrl+C 来结束终端的运行，就是sigint

kill杀死一个进程，如果杀不死可以kill -9 ，-9就是用了sigkill信号，这个信号不能被捕捉和忽略。（留了个后手，防止是病毒杀不死）可以通过kill -l查看各个数字代表的信号值。

进程的前后台切换，bg，fg等都是用信号来实现的。

3.信号的发送：

1> int  kill(pid_t pid,  int sig);

pid 接收进程的进程号：

0代表同组进程； -1代表所有进程

sig 信号类型

2>int  raise(int sig);       //给自己发信号

3>int  alarm(unsigned int seconds); //常用于超时检测

成功时返回上个定时器的剩余时间，失败时返回EOF

 seconds 定时器的时间

 一个进程中只能设定一个定时器，时间到时产生SIGALRM

4>int pause(void);

 进程一直阻塞，直到被信号中断

 被信号中断后返回-1，errno为EINTR

5>void (*signal(int signo, void (*handler)(int)))(int); typedef void (*sighandler_t)(int);

                                                  sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

成功时返回原先的信号处理函数，失败时返回SIG_ERR

signo 要设置的信号类型

handler 指定的信号处理函数: SIG_DFL代表缺省方式;

可以通过返回值恢复之前的信号的行为。

 

例1，下面的例子，当我们此时在使用ctrl+c并不会退出程序，而是执行handle程序

void handle(int sig){
	if(sig == SIGINT){
		printf("I got a ctrl+C signal\n");
	}else if(sig == SIGQUIT){
		printf("I got a quit signal\n");
	}else{
		printf("other siganl\n");
	}
}

int main(){
	signal(SIGINT,handle);
	signal(SIGQUIT,handle);	
	signal(SIGHUP,handle);	
	while(1){
		sleep(1);
	}	
}

可以通过返回值恢复之前的信号的行为。

typedef void (*sight)(int);
sight oldhandle;
int count =0;

void functh(int sig){	
	count++;
	printf("I catch ctrl+c!!!\n");
	if(count==2){
		signal(SIGINT,oldhandle);
	}	
}
int main(){
	oldhandle = signal(SIGINT,functh);
	while(1) sleep(1);
}

signal(SIGINT,SIG_DFL);也可以用SIG_DFL代表缺省值，同样可以恢复。

 

例2，子进程结束会发送SIGCHLD这个信号，当时使用wait函数进行回收，因为wait是阻塞的，但是会导致父进程无法进行自己的工作，通过signal接收子进程的信号，来处理僵尸进程，这个时候就能够解放父进程。

void asasa(int sig){
	wait(NULL);
}

int main(){
	pid_t pid;
	pid = fork();
	signal(SIGCHLD,asasa);
	if(pid<0){
		perror("fork");
	}else if(pid==0){
		sleep(10);
		exit(0);		
	}	
	while(1){
		printf("hahahah,I am free!!!!!\n");
		sleep(1);
	}
}

三.共享内存

从上面我们也知道system v IPC,然后我们就开始学习IPC对象

  • IPC 对象包含： 共享内存、消息队列和信号灯集
  • 每个IPC对象有唯一的ID
  • IPC对象创建后一直存在，直到被显式地删除
  • 每个IPC对象有一个关联的KEY

通过ipcs 查看系统中的IPC对象。

要想使用IPC对象，我们肯定是要先创建他们

1.创建一个IPC对象

key_t  ftok(const char *path,  int proj_id);

  •  成功时返回合法的key值，失败时返回EOF
  •  path  存在且可访问的文件的路径
  •  proj_id  用于生成key的数字，范围1-255。

例：

   key_t key;

   if ((key = ftok(“.”, ‘a’)) == -1) {

      perror(“key”);

      exit(-1);

   }

2.共享内存特点

  • 共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝
  • 共享内存在内核空间创建，可被进程映射到用户空间访问，使用灵活
  • 由于多个进程可同时访问共享内存，因此需要同步和互斥机制配合使用

3.共享内存使用步骤：

  • 创建/打开共享内存
  • 映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问
  • 读写共享内存
  • 撤销共享内存映射
  • 删除共享内存对象

3.1共享内存的创建

int shmget(key_t key, int size, int shmflg);

  • 成功时返回共享内存的id，失败时返回EOF
  •  key  和共享内存关联的key，IPC_PRIVATE 或 ftok生成
  •  shmflg 共享内存标志位  IPC_CREAT|0666
  • 创建/打开一个和key关联的共享内存，大小为1024
  • 字节，权限为0666

 例：

  key_t key;
  int shmid;
  if ((key = ftok(“.”, ‘m’)) == -1) {
     perror(“ftok”);
     exit(-1);
  }

  if ((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) < 0) {
     perror(“shmget”);
     exit(-1);
  }

3.2共享内存的映射

include <sys/ipc.h>

 #include <sys/shm.h>

 void  *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

  •   成功时返回映射后的地址，失败时返回(void *)-1
  •   shmid   要映射的共享内存id
  •   shmaddr   映射后的地址， NULL表示由系统自动映射
    •   shmflg   标志位  0表示可读写；SHM_RDONLY表示只读

3.3 共享内存读写

例如：在共享内存中存放键盘输入的字符串

      char *addr;
      int  shmid;
      ……
      if ((addr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (char *)-1) {
         perror(“shmat”);
         exit(-1);
      }
      fgets(addr, N, stdin);

3.4 撤销共享内存

int  shmdt(void *shmaddr);

  •   成功时返回0，失败时返回EOF
  •   不使用共享内存时应撤销映射
  •   进程结束时自动撤销

3.4 删除共享内存

int  shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

  •   成功时返回0，失败时返回EOF
  •   shmid   要操作的共享内存的id
  •   cmd   要执行的操作  IPC_STAT  IPC_SET  IPC_RMID
  •   buf   保存或设置共享内存属性的地址

3.5举例，创建，共享，撤销。

记得通过ipcs查看是否创建成功。

int main(){
	key_t key;
	int shmid;
	char *addr;		
	key = ftok(".",23);
	if(key==-1){
		perror("ftok");
		return -1;
	}
	shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);
	if(shmid==-1){
		perror("shmget");
		return -1;
	}
	
	addr = shmat(shmid,NULL,0);
	//strcpy(addr,"this my share memeory");
	printf("get share mem=%s\n",addr)；	
	shmdt(addr);
	shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
}

四.消息队列

接下来学习IPC的第二大将，消息队列，属于IPC对象，肯定ipc对象的创建等是必不可少的了。

  • 消息队列是System V IPC对象的一种
  • 消息队列由消息队列ID来唯一标识
  • 消息队列就是一个消息的列表。用户可以在消息队列中添加消息、读取消息等
  • 消息队列可以按照类型来发送/接收消息

消息队列的使用：

1.打开/创建消息队列    

 int msgget(key_t key, int msgflg);

  •   成功时返回消息队列的id，失败时返回EOF
  •   key 和消息队列关联的key  IPC_PRIVATE 或 ftok
  •   msgflg  标志位  IPC_CREAT|0666

2.向消息队列发送消息  

 int msgsnd(int msgid, const void *msgp, size_t size,int msgflg);

  •   成功时返回0，失败时返回-1
  •   msgid   消息队列id
  •   msgp    消息缓冲区地址
  •   size    消息正文长度
  •   msgflg   标志位 0 或 IPC_NOWAIT

3.从消息队列接收消息   msgrcv

 int msgrcv(int msgid, void *msgp, size_t size, long msgtype,  int msgflg);

  •   成功时返回收到的消息长度，失败时返回-1
  •   msgid   消息队列id
  •   msgp   消息缓冲区地址
  •   size   指定接收的消息长度
  •   msgtype   指定接收的消息类型   
  •   msgflg   标志位   0 或 IPC_NOWAIT

4.控制消息队列

 int msgctl(int msgid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

  •   成功时返回0，失败时返回-1
  •   msgid    消息队列id
  •   cmd    要执行的操作  IPC_STAT / IPC_SET / IPC_RMID
  •   buf   存放消息队列属性的地址

5.消息格式

  • 通信双方首先定义好统一的消息格式
  • 用户根据应用需求定义结构体类型
  • 首成员类型必须为long,代表消息类型(正整数)
  • 其他成员都属于消息正文
  • 消息长度不包括首类型 long

例：

消息队列接收

#include <linux/msg.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct{	
	long type;
	char txt[64];
}MSG;
int msgid;

#define LEN sizeof(MSG)-sizeof(long)
void rmmsg(int sig){	
	msgctl(msgid,IPC_RMID,NULL);
	exit(0);	
}

int main(){
	
	key_t ipkey;
	int re;
	MSG msg_t;
	
    ipkey = ftok(".",23);
	if(ipkey==-1){
		perror("ftok");
		return -1;
	}
	msgid = msgget(ipkey,IPC_CREAT|0666);
	if(msgid ==-1){
		perror("msgget");
		return -1;
	}	
	signal(SIGINT,rmmsg);
	
	while(1){
		re = msgrcv(msgid,&msg_t,LEN,3,MSG_EXCEPT);
		printf("receive msg:type=%d,txt=%s\n",(int)msg_t.type,msg_t.txt);
		if(re<=0){
			break;
		}
	}
	
}

消息队列发送

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

typedef struct{
	long type;
	char txt[64];
}MSG;

#define LEN sizeof(MSG)-sizeof(long)

int main(){
	
	key_t ipkey;
	int msgid;

	MSG msg_t;
	
    ipkey = ftok(".",23);
	if(ipkey==-1){
		perror("ftok");
		return -1;
	}
	msgid = msgget(ipkey,IPC_CREAT|0666);
	if(msgid ==-1){
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	msg_t.type = 1;
	strcpy(msg_t.txt,"msg type one");
	msgsnd(msgid,&msg_t,LEN,0);

	msg_t.type = 2;
	strcpy(msg_t.txt,"msg type two");
	msgsnd(msgid,&msg_t,LEN,0);
	
}

进行编译查看下效果：gcc -o msg_recv recv    gcc -o msc_send send     然后执行./send  此时再执行./recv就可以看到打印信息了

五.信号量

信号灯也叫信号量，用于进程/线程同步或互斥的机制，之前我们也说过与之前学的信号灯原理是相同的，只是实现方式不同。

1.信号灯的类型

  •   Posix 无名信号灯（前面线程学过）
  •   Posix有名信号灯
  •   System V  信号灯

2.信号灯的含义

  计数信号灯

3.特点：

  • System V 信号灯是一个或多个计数信号灯的集合
  • 可同时操作集合中的多个信号灯
  • 申请多个资源时避免死锁

4.信号灯使用步骤

4.1打开/创建信号灯 

 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

  •   成功时返回信号灯的id，失败时返回-1
  •   key   和消息队列关联的key  IPC_PRIVATE 或 ftok
  •   nsems   集合中包含的计数信号灯个数
  •   semflg   标志位  IPC_CREAT|0666   IPC_EXCL

4.2信号灯初始化   

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …);

  •   成功时返回0，失败时返回EOF
  •   semid    要操作的信号灯集id
  •   semnum   要操作的集合中的信号灯编号
  •   cmd   执行的操作  SETVAL  IPC_RMID
  •   union  semun      取决于cmd

4.3 P/V操作   semop

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

  •   成功时返回0，失败时返回-1
  •   semid    要操作的信号灯集id
  •   sops    描述对信号灯操作的结构体(数组)
  •   nsops   要操作的信号灯的个数

 struct  sembuf

 {

     short  sem_num;

     short  sem_op;

     short  sem_flg;

 };

  •  semnum         信号灯编号
  •  sem_op           -1：P操作   1：V操作
  • sem_flg           0 / IPC_NOWAIT

 

删除信号灯  semctl

例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <errno.h>
#include <sys/sem.h>
#include <string.h>

union  semun{
	int val;
};

#define SEM_READ 0
#define SEM_WRITE 0

poperation(int index,int semid){
	struct  sembuf sop;
	sop.sem_num = index;
	sop.sem_op = -1;
	sop.sem_flg = 0;
	semop(semid,&sop,1);
	
}

voperation(int index,int semid){
	struct  sembuf sop;
	sop.sem_num = index;
	sop.sem_op = 1;
	sop.sem_flg = 0;
	semop(semid,&sop,1);	
	
}


int main(){
	
	key_t key;
	int semid;
	int shmid;
	pid_t pid;
	
	char *shmaddr;
	
	key  = ftok(".",123);
	 
	semid = semget(key,2,IPC_CREAT|0777);
	if(semid<0){
		perror("semget");
		return -1;
	}

	shmid = shmget(key,256,IPC_CREAT|0777);
	if(shmid<0){
		perror("shmget");
		return -1;
	}	
	
	union  semun myun;
	myun.val = 0;
	semctl(semid,SEM_READ,SETVAL,myun);
	
	myun.val = 1;
	semctl(semid,SEM_WRITE,SETVAL,myun);	

	pid = fork();
	if(pid<0){
		perror("fork");
		return -1;
	}else if(pid == 0){
		
		shmaddr = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
		while(1){
			poperation(SEM_READ,semid);
			printf("getshm:%s",shmaddr);
			voperation(SEM_WRITE,semid);
		}
		
	}else{
		shmaddr = (char*)shmat(shmid,NULL,0);
		
		while(1){
			poperation(SEM_WRITE,semid);
			printf("please input char to shm:");
			fgets(shmaddr,32,stdin);
			voperation(SEM_READ,semid);
		}
		
	}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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