linux系统编程--进程间通信

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，

要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。

                                                                                                 

         在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件（文件打开之后产生一个文件结构体在内核中，不同进程打开同一个文件，文件描述符是不相关的，但是在内核中映射到同一个缓存区）、

　　 管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，

一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

         ① 管道 (使用最简单)

         ② 信号 (开销最小)

         ③ 共享映射区 (无血缘关系)

         ④ 本地套接字 (最稳定)

 

管道

管道的概念：

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

         1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

　　  2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

         3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性：

① 数据自己读不能自己写。

② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。

③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。

④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

pipe函数

创建管道

    int pipe(int pipefd[2]);               成功：0；失败：-1，设置errno

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。

向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

                                                         

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。

    由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

    练习：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并，打印到屏幕。【pipe.c】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
#include <errno.h>

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>

void SYS_ERR(const char* str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}

int main(int argc, char **argv)
{

    int fd[2];
    pid_t pid;
    char *str = "hello world\n";
    char *buf[128] = {0};
        int ret;
        ret = pipe(fd);
    if (ret == -1) {
        SYS_ERR("pipe error");
    }

    pid = fork();
    if (pid == -1) {
        SYS_ERR("fork error");
    }
    else if (pid > 0) {
        close(fd[0]);// 父进程关闭读端
        write(fd[1], str, strlen(str));
        wait(NULL);// 回收子进程
        close(fd[1]);
    }
    else if (pid == 0) {
        close(fd[1]);// 子进程关闭写端
         ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, ret);
        close(fd[0]);
    }

    return 0;
}

 

    思考：为甚么，程序中没有使用sleep函数，但依然能保证子进程运行时一定会读到数据呢？

管道的读写行为                                                          

 使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结：

① 读管道：  1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

                     2. 管道中无数据：

　　　　　　　　(1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)

                             (2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

② 写管道：  1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)

                      2. 管道读端没有全部关闭：

　　　　　　　　(1) 管道已满，write阻塞。

                             (2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

     练习：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l。假定父进程实现ls，子进程实现wc。

　　ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；wc –l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。                                                                                                                                                                                                                         

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int fd[2];

    pipe(fd);
    pid = fork();

    if (pid == 0) {  //child
        close(fd[1]);                    //子进程从管道中读数据，关闭写端
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);        //让wc从管道中读取数据
        execlp("wc", "wc", "-l", NULL);    //wc命令默认从标准读入取数据

    } else {

        close(fd[0]);    //父进程向管道中写数据，关闭读端
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);        //将ls的结果写入管道中
        execlp("ls", "ls", NULL);        //ls输出结果默认对应屏幕
    }

    return 0;
}





/*
 *  程序不时的会出现先打印$提示符，再出程序运行结果的现象。
 *  这是因为：父进程执行ls命令，将输出结果给通过管道传递给
 *  子进程去执行wc命令，这时父进程若先于子进程打印wc运行结果
 *  之前被shell使用wait函数成功回收，shell就会先于子进程打印
 *  wc运行结果之前打印$提示符。
 *  解决方法：让子进程执行ls,父进程执行wc命令。或者在兄弟进程间完 *成。
 */

 

程序执行，发现程序执行结束，shell还在阻塞等待用户输入。这是因为，shell → fork → ./pipe1， 程序pipe1的子进程将stdin重定向给管道，

父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收，shell就会先输出$提示符。

     练习：使用管道实现兄弟进程间通信。 兄：ls  弟： wc -l  父：等待回收子进程。

     要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。注意管道读写行为。【pipe2.c】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int fd[2], i;
    
    pipe(fd);

    for (i = 0; i < 2; i++) {
        if((pid = fork()) == 0) {
            break;
        }
    }

    if (i == 0) {            //兄
        close(fd[0]);                //写,关闭读端
        dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);        
        execlp("ls", "ls", NULL);    
    } else if (i == 1) {    //弟
        close(fd[1]);                //读，关闭写端
        dup2(fd[0], STDIN_FILENO);        
        execlp("wc", "wc", "-l", NULL);        
    } else {
        close(fd[0]);
        close(fd[1]);
        for(i = 0; i < 2; i++)        //两个儿子wait两次
            wait(NULL);
    }

    return 0;
}

 

     测试：是否允许，一个pipe有一个写端，多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？             【pipe3.c】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;
    int fd[2], i, n;
    char buf[1024];

    int ret = pipe(fd);
    if(ret == -1){
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }

    for(i = 0; i < 2; i++){
        if((pid = fork()) == 0)
            break;
        else if(pid == -1){
            perror("pipe error");
            exit(1);
        }
    }

    if (i == 0) {            
        close(fd[0]);                
        write(fd[1], "1.hello\n", strlen("1.hello\n"));
    } else if(i == 1) {    
        close(fd[0]);                
        write(fd[1], "2.world\n", strlen("2.world\n"));
    } else {
        close(fd[1]);       //父进程关闭写端,留读端读取数据    
//        sleep(1);
        n = read(fd[0], buf, 1024);     //从管道中读数据
        write(STDOUT_FILENO, buf, n);

        for(i = 0; i < 2; i++)        //两个儿子wait两次
            wait(NULL);
    }

    return 0;
}

 

    统计当前系统中进程ID大于10000的进程个数。

管道缓冲区大小

         可以使用ulimit –a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小 (4096bytes)。通常为：

                  pipe size            (512 bytes, -p) 8

         也可以使用fpathconf函数，借助参数        选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>

                   long fpathconf(int fd, int name);     成功：返回管道的大小         失败：-1，设置errno

管道的优劣

         优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。

         缺点：1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。

                    2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。

FIFO

FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但，FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。

创建方式：

1. 命令：mkfifo 管道名

2. 库函数：int mkfifo(const char *pathname,  mode_t mode);  成功：0； 失败：-1

     一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

 

管道无数据：关闭写端，不会返回0，读端阻塞

　　　　　　若关闭读端，写端也会关闭

    【fifo_w.c】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(-1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, i;
    char buf[4096];

    if (argc < 2) {
        printf("Enter like this: ./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    /*
    int ret = access("myfifo", F_OK);
    if (ret != 0) {
        mkfifo("myfifo", 0664);
    }
    */

    fd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if (fd < 0) 
        sys_err("open");

    i = 0;
    while (1) {
        sprintf(buf, "hello itcast %d\n", i++);
        write(fd, buf, strlen(buf));
        sleep(2);
    }
    close(fd);

    return 0;
}

 

    【fifo_r.c】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, len;
    char buf[4096];

    if (argc < 2) {
        printf("./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd < 0) 
        sys_err("open");
    while (1) {
        len =read(fd, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);
        sleep(1);           //多個读端时应增加睡眠秒数,放大效果.
    }
    close(fd);

    return 0;
}

 

共享存储映射

文件进程间通信

使用文件也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符。也就共享打开的文件。

 练习：编程测试，父子进程共享打开的文件。借助文件进行进程间通信。【fork_shared_fd.c】

/* 
 *父子进程共享打开的文件描述符------使用文件完成进程间通信.
 */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>


int main(void)
{
    int fd1, fd2; pid_t pid;
    char buf[1024];
    char *str = "---------test for shared fd in parent child process-----\n";

    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        exit(1);
    } else if (pid == 0) {
        fd1 = open("test.txt", O_RDWR);
        if (fd1 < 0) {
            perror("open error");
            exit(1);
        }
        write(fd1, str, strlen(str));
        printf("child wrote over...\n");
    } else {
        fd2 = open("test.txt", O_RDWR);
        if (fd2 < 0) {
            perror("open error");
            exit(1);
        }
        sleep(1);                   //保证子进程写入数据
        int len = read(fd2, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);

        wait(NULL);
    }

    return 0;
}

通过文件通信