linux系统编程_Linux系统编程：进程间通信

进程的重要性对于编程人员来说，至关重要，那么，进程间是如何通信的呢？在一个大的项目中，进程间的通信有哪些方式，这对于我们程序员来说也是很重要的一个点？那么本节我们就来聊聊进程间通信的方式，以及各自的优缺点。这点也是面试中常常会问到的一个面试题之一？
首先介绍一下进程间通信(InterProcess Communication，IPC)的概念：是指在不同进程之间传播或交换信息。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)。

知道了进程之间的概念，那么进程之间通信的目的有哪些：这里我们简单总结几条：

1.数据传输
        一个进程要将它的数据发送给另一个进程2.资源共享
        多个进程之间共享资源3.通知事件
        一个进程需要通知另一个进程某一个事件已经发生   4.进程控制
       有些进程希望控制另一个进程的执行(如Debug进程)，此时控制进程希望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。

既然进程通信可以做这么多事情，那么进程之间的通信方式有哪些？我们一起来了解一下吧。

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、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)

1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。

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。

#include
#include
#include
#include
#include
void sys_err(const char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
int main(void)
{
    pid_t pid;
    char buf[1024];
    int fd[2];
    char *p = "test for pipe\n";
   if (pipe(fd) == -1)
       sys_err("pipe");
   pid = fork();
   if (pid < 0) {
       sys_err("fork err");
   } else if (pid == 0) {
        close(fd[1]);
        int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);
        close(fd[0]);
   } else {
       close(fd[0]);
       write(fd[1], p, strlen(p));
       wait(NULL);
       close(fd[1]);
   }
    return 0;
}

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。

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。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

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。

2 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。

3 例程

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程：

write_fifo.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
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;
    }
    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(1);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

read_fifo.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
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(3);
    }
    close(fd);
    return 0;

}

3 共享存储映射

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。

存储映射I/O

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址(指针)完成I/O操作。

使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

mmap函数

void*mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

返回：成功：返回创建的映射区首地址；失败：MAP_FAILED宏

参数：

addr: 建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL

length：欲创建映射区的大小

prot：映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE

flags：标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)

MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备(磁盘)上。

MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。

fd：用来建立映射区的文件描述符

offset：映射文件的偏移(4k的整数倍)

munmap函数

同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。

int munmap(void *addr, size_t length); 成功：0；失败：-1

借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？

mmap注意事项

【map.c】

思考：

1. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?

2.如果open时O_RDONLY,mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？

3. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？

4. 如果文件偏移量为1000会怎样？

5. 对mem越界操作会怎样？

6. 如果mem++，munmap可否成功？

7. mmap什么情况下会调用失败？

8. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？

总结：使用mmap时务必注意以下事项：

创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。
特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！ mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
如果文件偏移量必须为4K的整数倍
mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

mmap父子进程通信

父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区；

MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区；

练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，而后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。

结论：父子进程共享：1. 打开的文件 2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)

匿名映射

通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。

使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)，如:

int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

"4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。

需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。

① fd = open("/dev/zero", O_RDWR);

② p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);

mmap无血缘关系进程间通信

实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。