〖Linux〗Linux高级编程 - 进程间通信（Interprocess Communication）

浏览数：19 / 时间：2015年06月20日

[转自: http://blog.csdn.net/Paradise_for_why/article/details/5550619]

这一章就是著名的IPC，这个东西实际的作用和它的名字一样普及。例如我们浏览网页，打印文章，等等。

IPC总共有五种类型：

共享内存(Shared Memory)：最容易理解的一种，就像一个特工把情报放在特定地点(内存)，另一个特工再过来取走一样。
内存映射(Mapped Memory)：和共享内存几乎相同，除了特工们把地点从内存改成了文件系统。
管道(Pipes)：从一个进程到另一个进程的有序通信，用电话来比喻再恰当不过了。
FIFOs：和管道和类似，唯一的区别是FIFOs比管道更神通一些，允许没有关系的进程之间的有序通信。
套接字(Sockets)：为什么说浏览网页也是IPC？就是因为它。

5.1 共享内存（Shared Memory）

共享内存是最快捷的进程间通信方式。访问共享内存的效率和访问进程自己的非共享内存的效率是相同的，而且这种通信方式不需要任何额外的系统调用。
系统不会自动为共享内存处理同步问题，这个问题必须由用户自己解决。
共享内存的步骤通常是：
- 一个进程申请一块共享内存，即在它的页表中加入新的一项
- 所有进程Attach该共享内存，即从申请内存的进程中拷贝对应的页表
- 使用该内存进行通讯
- 结束后所有进程detach该共享内存
- 申请共享内存的进程在确定所有进程都detach后，释放该内存
由于共享内存是通过页表来实现的，我们可以得出一个结论：共享内存的大小是页面大小的整数倍，页面的大小可以通过getpagesize()来得到，通常在Linux下该值是4KB
相关的API函数：
- 申请共享内存：shmget，返回共享内存segment的id
- Attach，Detach函数：shmat，shmdt。需要共享内存segment的id
- 释放申请的内存：shmctl。一定要记得释放！调用exit和exec会自动detach，但不会自动释放。
使用 ipcs -m来观看当前系统存在的共享内存

　　例子：原程序的例子找不到了...摘抄后修改的...

  1 /*
  2  * =============================================================================
  3  *
  4  *       Filename:  sharememory_read.c
  5  *
  6  *    Description:  
  7  *
  8  *        Version:  1.0
  9  *        Created:  2014年11月04日 19时52分28秒
 10  *       Revision:  none
 11  *       Compiler:  gcc
 12  *
 13  *         Author:  lwq (28120), [email protected]
 14  *   Organization:  
 15  *
 16  * =============================================================================
 17  */
 18 #include <stdlib.h>
 19 
 20 /**********************************************************
 21 *实验要求：   创建两个进程，通过共享内存进行通讯。
 22 *功能描述：   本程序申请和分配共享内存，然后轮训并读取共享中的数据，直至
 23 *           读到“end”。
 24 *日    期：   2010-9-17
 25 *作    者：   国嵌
 26 **********************************************************/
 27 #include <unistd.h>
 28 #include <stdlib.h>
 29 #include <stdio.h>
 30 #include <string.h>
 31 #include <sys/types.h>
 32 #include <sys/ipc.h>
 33 #include <sys/shm.h>
 34 #include <getopt.h>
 35 #include "sharememory.h"
 36 
 37 void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
 38 void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
 39 void del_shm();
 40 
 41 void usage(){
 42     fprintf(stderr, "\nusage: %s -r|-w\n\n"
 43             "-r read mode\n"
 44             "-w write mode\n"
 45             "\n", "shared_memory");
 46     exit(1);
 47 }
 48 
 49 #define READ (1)
 50 #define WRITE (2)
 51 #define OPTNONE (0)
 52 
 53 // 全局变量
 54 void *shared_memory=(void *)0;
 55 
 56 /*
 57  * 程序入口
 58  * */
 59 int main(int argc, char **argv)
 60 {
 61     int running=RUNNING;
 62     struct shared_use_st *shared_stuff;
 63     int shmid;
 64     int operation=OPTNONE;                      /* 读/写操作 */
 65 
 66     /*-----------------------------------------------------------------------------
 67      *  getopt start
 68      *----------------------------------------------------------------------------*/
 69     int choice;
 70     while (1)
 71     {
 72         static struct option long_options[] =
 73         {
 74             /* Use flags like so:
 75             {"verbose",    no_argument,    &verbose_flag, ‘V‘}*/
 76             /* Argument styles: no_argument, required_argument, optional_argument */
 77             {"version", no_argument,    0,    ‘v‘},
 78             {"help",    no_argument,    0,    ‘h‘},
 79             {"read",    no_argument,    0,  ‘r‘},
 80             {"write",   no_argument,    0,  ‘w‘},
 81             {0,0,0,0}
 82         };
 83     
 84         int option_index = 0;
 85     
 86         /* Argument parameters:
 87             no_argument: " "
 88             required_argument: ":"
 89             optional_argument: "::" */
 90     
 91         choice = getopt_long( argc, argv, "vhrw",
 92                     long_options, &option_index);
 93     
 94         if (choice == -1)
 95             break;
 96     
 97         switch( choice )
 98         {
 99             case ‘v‘:
100                 
101                 break;
102     
103             case ‘h‘:
104                 usage();
105                 break;
106 
107             case ‘r‘:
108                 operation=READ;
109                 break;
110 
111             case ‘w‘:
112                 operation=WRITE;
113                 break;
114     
115             case ‘?‘:
116                 /* getopt_long will have already printed an error */
117                 usage();
118                 break;
119     
120             default:
121                 /* Not sure how to get here... */
122                 return EXIT_FAILURE;
123         }
124     }
125     if (operation == OPTNONE) {
126         usage();
127     }
128     /*-----------------------------------------------------------------------------
129      *  getopt end
130      *----------------------------------------------------------------------------*/
131 
132     /*创建共享内存*/
133     shmid=shmget((key_t)1234,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT);
134     if(shmid==-1) {
135         fprintf(stderr,"shmget failed\n");
136         exit(EXIT_FAILURE);
137     }
138 
139     /*映射共享内存*/
140     shared_memory=shmat(shmid,(void *)0,0);
141     if(shared_memory==(void *)-1) {
142         fprintf(stderr,"shmat failed\n");
143         exit(EXIT_FAILURE);
144     }
145 
146     printf("Memory attached at 0%08x\n",(int)((intptr_t)shared_memory));
147 
148     /*让结构体指针指向这块共享内存*/
149     shared_stuff=(struct shared_use_st *)shared_memory;
150 
151     /*控制读写顺序*/
152     // lwq: 使之能读取上一条消息
153     if (operation == READ && shared_stuff->written_by_you != HADWROTE)
154         shared_stuff->written_by_you=HADREAD;
155 
156     switch(operation) {
157         case READ:
158             read_shm(shared_stuff);
159             break;
160     
161         case WRITE:
162             write_shm(shared_stuff);
163             break;
164 
165         default:
166             usage();
167             break;
168     }
169 
170     del_shm();
171     exit(EXIT_SUCCESS);
172 }
173 
174 // 读取共享内存
175 void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
176     while(1) {
177        if(shared_stuff->written_by_you == HADWROTE) {
178            printf("You wrote:%s",shared_stuff->some_text);
179            shared_stuff->written_by_you=HADREAD;
180            if(strncmp(shared_stuff->some_text,"end",3)==0) {
181                break;
182            }
183        }
184        else {
185            usleep(100000);
186        }
187     }
188 }
189 
190 // 写入共享内存
191 void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
192     char buffer[BUFSIZ] = {0};
193     while(1) {
194         while(shared_stuff->written_by_you!=HADREAD); /* 等待读写完成 */
195         printf("Enter some text:");
196         fgets(buffer,BUFSIZ,stdin);
197         strncpy(shared_stuff->some_text,buffer,TEXT_SZ); /* 复制进去 */
198         shared_stuff->written_by_you=HADWROTE;
199         if(strncmp(buffer,"end",3)==0) {
200             break;
201         }
202     }
203 }
204 
205 // 删除共享内存
206 void del_shm(){
207     /*删除共享内存*/
208     if(shmdt(shared_memory)==-1) {
209         fprintf(stderr,"\nshmdt failed\n");
210         exit(EXIT_FAILURE);
211     }
212     else {
213         fprintf(stderr, "\ndelete shared_memory: 0x%08x\n", (int)((intptr_t)shared_memory));
214     }
215 }

sharememory.c

　　编译：gcc sharememory.c -o sharememory

　　执行：

　　　　1. 以读取模式打开程序（进程1）： ./sharememory -r

　　　　2. 以写入模式打开程序（进程2）： ./sharememory -w

5.2 进程信号量

信号量(Semaphore)的概念前面已经介绍过了。Linux对用来同步进程的信号量采取了一种特别的实现方式。这些信号量也就被称为进程信号量(Process Semaphore)。（这一节下面所提到的所有信号量默认都是指进程信号量）
相关的API函数：
- 申请：semget
- 释放：semctl。需要注意的是信号量不会被自动释放，我们必须显式释放它。
- Wait和Post：semop
使用ipcs -s来观看当前系统存在的信号量

5.3 内存映射

内存映射使得不同的进程可以通过一个共享文件来互相通信。
相关的API函数：
- 映射：mmap
- 同步：msync。用来指定对文件的修改是否被buffer。
- 释放：munmap。在程序结束的时候会自动unmap
mmap的其他用法：
- 可以替代read和write，有时使用内存映射后的效率比单纯使用I/O操作来的更快
- 在内存映射文件中构建structure，修改structure再次将文件映射到内存中可以快速的将structure恢复到原来的状态
- 把/dev/zero文件映射到内存中。该文件可以提供无限的0，并且写到该文件的所有内容将被直接丢弃

5.4 管道（Pipes）

管道是单向的，即一个线程写，另一个线程读，无法互换
如果写的速度太快，造成管道满了，那么写的线程就会被block；如果读的速度太快，造成管道空了，那么读的进程就会被block。因此事实上我们可以说管道自动实现了同步机制
我们可以通过调用pipe函数来生成一对pipe file description。（为什么是一对？因为一个读一个写）。可是，生成的pipe file description无法传送给不相关的进程（因为做为file descriptor即使它拿到了也没法用）。但是我们注意到fork之后父进程所有的file descriptor在子进程中依然有效，因此管道最大的作用是在父子进程之间通信。或者更确切的说，是在有共同祖先的进程之间通信。
典型的创建管道的流程如下：
- 用pipe生成2个pipe file description（简称fds）。然后调用fork
- 在父进程关闭fds[0](或fds[1])，并以只读（或只写）方式打开fds[1](或fds[0])。在子进程中关闭fds[1](或fds[0])，并以只写(或只读)方式打开fds[0](或fds[1])。打开的函数是fdopen。
- 开始通信。结束后用close函数关闭剩下的fds。
这里有一个技巧：可以利用管道来达成重定向stdin, stdout和stderr。注意到dup2这个API可以把一个file descriptor复制到另一个上。
事实上，我们有一对更为简洁的函数popen/pclose来完成上面的一系列复杂的操作。popen有两个参数：
- 第一个参数接受一个exec，子进程将执行这个exec
- 第二个参数为”w”或者”r”，”w”表示父进程写子进程读，”r”则反之
- 返回值为管道的一端，也就是一个file descriptor
- pclose用来关闭popen返回的file descriptor
FIFO（First In First Out）文件事实上是一个有名字的管道，换句话说，他可以用来让“不相干”的程序互相通信。
- 我们使用mkfifo函数来创建一个FIFO文件
- 我们可以使用任何的低级I/O函数(open, write, read, close等)以及C库I/O函数(fopen, fprintf, fscanf, fclose等)来操作FIFO文件。
Linux的管道和Windows下的命名管道(Named Pipes)的区别
- Windows的命名管道更像一个套接字(sockets)，它可以通过网络让不同主机上的程序进行通信
- Linux的管道允许有多个reader和writer，每个reader和writer进行读/写的最大容量为 PIPE_BUF(4KB)，如果有多个writer同时写，他们写的东西会被分为一个一个的chunk（每个4KB）并允许交错写。（例如进程A有两个 chunk，A1，A2。进程B也有两个chunk，B1，B2。A和B同时写，则顺序可能为A1,B1,A2,B2） Windows的管道允许在同一个管道上有多个reader/writer对，他们之间读写的数据没有交叉。

5.5 套接字(Sockets)

套接字的特点：
- 它是双向通信的
- 它是进程间通信的，包括其他机器上的进程
套接字有三个参数：
- 通讯类型(communication style)
  - 连接(connection)类型：保证所有的包按发送的顺序到达接受方。（类似于电话）如果包丢失或者抵达顺序错误，会自动重发。
  - datagram类型：所有包单独发送，可能会出现丢失或者晚发早到的现象。（类似于邮寄）
- 命名空间(namespace)：描述套接字的地址是如何表示的，例如本地就是文件名，internet上就是ip地址。
- 协议(protocol)：通讯协议，常用的有TCI/IP，AppleTalk等。
相关的API（套接字也是通过file descriptor来表示的）：
- socket：创建一个socket
- closes：销毁一个socket
- connect：在两个socket之间创建一个连接。这个API通常由客户端调用。
- bind：给服务器的一个套接字绑定一个地址，服务器端调用。
- listen：让一个套接字开始侦听，准备接受请求，服务器端调用。
- accept：接受一个连接请求，并且为该连接创建一个新的套接字，服务器端调用。
服务器端的生命流程：
- 创建一个connection类型的socket
- 给该socket绑定一个地址
- 调用listen来enable该socket（listen可以指定最多有多少个请求在等待队列中，如果等待队列满了，又有新的请求到达的时候，则该请求被拒绝）
- 对于收到的连接请求调用accept来接受
- 关闭socket
本地socket（local socket）
- 如果是同一台电脑上的两个进程需要通信的话，可以使用本地socket。这种情况下socket的地址是文件路径。注意进程必须对该路径拥有可写权限，否则无法建立连接
- 完成之后使用unlink来关闭一个socket