Linux进程间通信

2021-11-05 15:18:38 digiproto

01

IPC机制

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,Inter-Process Communication)


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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)


02

pipe管道

2.1 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。


常见的通信方式有,单工通信、半双工通信、全双工通信。管道属于半双工。


2.2 管道函数

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:


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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。


2.3 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:
读管道:

· 管道中有数据:

read返回实际读到的字节数。

· 管道中无数据:

管道写端被全部关闭,read返回0(好像读到文件结尾)

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)


写管道:

· 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)

· 管道读端没有全部关闭:

管道已满,write阻塞。

管道未满,write将数据写入,并返回实际写入的字节数。


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。


2.4管道评价

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


管道的优缺点总结:

·优点:简单,相比信号,套接字实现进程间通信,简单很多。

·缺点:只能单向通信,双向通信需建立两个管道。

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。


管道的局限性:

①数据一旦被读走,便不在管道中存在,不可反复读取。

②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。

③只能在有公共祖先的进程间使用管道。


03

命名管道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。


FIFO通信的原理与管道类似,都是在内核开辟缓冲区,与pipe不同的是,FIFO要求通信双方使用同一个伪文件进行通信,也正是因为基于同一个伪文件,才能够在内核开辟相同的一块缓冲区,此后双方才可以通信。虽然说FIFO文件是一个伪文件,但可以像普通文件一样操作它,不过也要注意它的特性:

fifo文件是伪文件,不占用磁盘空间

fifo文件在open时会阻塞,直到读写双方都打开


04

共享映射区mmap


4.1概念

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。


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4.2 相关函数说明


1.mmap函数

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


返回值:

· 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)


2.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);

参数说明:

· addr映射区首地址

· length映射区长度

返回值:

· 成功:0;

· 失败:-1


4.3mmap使用注意事项

mmap使用时务必注意以下事项:

1.创建映射区的过程中,隐含着一次对映射文件的读操作。

2.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。

3.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。

4.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。

5.munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。

6.文件偏移量必须为4K的整数倍。

7.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。


4.4父子间mmap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;


//map_parent_shared.c
#include#include#include#include#includeint main()
{
int fd=open("mem.txt",O_RDWR);
int *mem=mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
if(mem==MAP_FAILED){
perror("mmap err");
return -1;
}
*mem=100;
//fork
pid_t pid=fork();
if(pid>0){
//parent
sleep(1);
printf("I am parent,pid=%d,*mem=%d\n",getpid(),*mem);
*mem=102;
}else if(pid==0){
//son
printf("I am son,pid=%d,*mem=%d\n",getpid(),*mem);
*mem=101;
sleep(4);
printf("I am son,pid=%d,*mem=%d\n",getpid(),*mem);
}
if(munmap(mem,4)<0){
perror("munmap err");
return -1;
}
return 0;
}


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)**


4.5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"是随意举例,该位置表大小,可依实际需要填写。


//匿名映射区使用
#include#include#include#include#includeint main()
{
//创建映射区,匿名映射
int *mem=mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0);
if(mem==MAP_FAILED){
perror("mmap err");
exit(1);
}
//创建子进程
pid_t pid=fork();//创建子进程
//子进程修改映射区
if(pid==0){//子进程
*mem=1021;
}
//父进程读映射区,看看是否变化
if(pid>0){
sleep(1);
printf("mem=%d\n",*mem);
}
if(munmap(mem,4)<0){
perror("munmap err");
exit(1);
}
return 0;
}


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);

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


4.6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。


写进程代码如下:

//mmap_w.c写进程
#include#include#include#include#include#includestruct student{
int sid;
char sname[30];
char sex;
};
int main(int argc,char *argv[])
{
if(argc!=2){
printf("./a.out file\n");
return 0;
}
//打开一个临时用于映射的缓冲区文件
int fd=open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);
//unlink(argv[1]);//释放文件
ftruncate(fd,sizeof(struct student));
struct student*pStudent=NULL;
//创建映射区
pStudent=mmap(NULL,sizeof(struct student),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
if(pStudent==MAP_FAILED){
perror("mmap err");
exit(1);
}
int i=0;
while(1){
pStudent->sid=i++;
strcpy(pStudent->sname,"xiaohong");
pStudent->sex='M';
sleep(1);
}
//释放缓冲区
munmap(NULL,sizeof(struct student));
close(fd);
return 0;
}


读进程代码如下:

//mmap_r.c读进程
#include#include#include#include#include#includestructstudent{
int sid;
char sname[30];
char sex;
};
int main(int argc,char *argv[])
{
if(argc!=2){
printf("./a.out file");
return0;
}
//打开临时文件
int fd=open(argv[1],O_RDONLY);
if(fdsid,pstudent->sname,pstudent->sex);}
//释放映射区
if(munmap(pstudent,sizeof(struct student))<0){
perror("munmap err");
exit(1);
}
return 0;
}


05

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