Linux的进程间通信

目录

前言：

1、进程间通信的介绍

1.1 进程间通信的目的

1.2 进程间通信的发展

2、管道

2.1 管道通信的四种情况

2.2 匿名管道

2.3 基于匿名管道的进程池

2.3.1 Process.hpp

2.3.2 Task.hpp

2.4 命名管道

2.5 管道的特性

3、System V IPC

3.1 System V 共享内存

3.1.1 shmget()

3.1.2 shmat()&&shmdt()

3.1.3 shmctl()

3.2 内核中System V IPC资源的组织管理

前言：

1. 作者的环境切换为Ubuntu 20.04，创建用户后，root用户vim /etc/sudoers，
2. 用户需要sudo usermod -s /bin/bash 用户名。
3. 通过Linux的基础开发工具，把远程仓库克隆到本地。
4. 语言使用C/C++，因为系统调用是C写的。
5. VSCode下载Remote - SSH插件，远程连接服务器，ssh 用户名@IP地址，再选择第一个配置文件。
6. 使用VSCode的代码编辑器代替vim，并通过VSCode的bash终端(ctrl+`)和Xshell的bash终端进行操作。

1、进程间通信的介绍

1.1 进程间通信的目的

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
• 通知事件：一个进程需要向另一个或组组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如子进程退出时要通知父进程）。
• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够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。

注意：

进程间通信的前提：让不同的进程先看到同一份资源(\"内存\")

1.2 进程间通信的发展

进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）

管道：

• 匿名管道。
• 命名管道。

System V IPC：

• System V 消息队列。
• System V 共享内存。
• System V 信号量。

POSIX IPC：

• 消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 互斥量
• 条件变量
• 读写锁

本篇文章，重点介绍 管道 和 system V 共享内存。

2、管道

基于文件。

2.1 管道通信的四种情况

1. 写慢，读快。读端阻塞。
2. 写快，读慢。满了，写端阻塞。
3. 写关闭，读继续。读到文件结尾，返回0。
4. 读关闭，写继续。无意义，OS信号杀死。

2.2 匿名管道

• int pipe(int pipefd[2]);建立一个匿名管道文件，以读和写的方式打开，将匿名管道文件的读写描述符分别写到pipedf[0],pipefd[1]中，成功返回0，失败返回-1。
• 匿名管道，创建时就打开了，需要显示close(fd)。read(fd)，write(fd)读写。
• 匿名管道文件的生命周期，是随进程的。所有进程关闭了该管道的文件描述符（引用计数降为 0），释放资源。
• 匿名管道文件是内存级的(没有路径，没有文件名，不需要保存到磁盘)。
• 匿名管道文件只能用于具有血缘关系的进程间通信(通常用于父子间通信)。

2.3 基于匿名管道的进程池

以父子间通信为例，父进程写，子进程读并完成指定任务。

注意：

代码中想以，父进程写端关闭，子进程读继续，子进程读到文件结尾，返回0，子进程退出，回收子进程。

但是，继承下来的子进程，也会有哥哥进程的匿名管道文件的写端描述符，只要存在写端，对应子进程读段就会一直阻塞，所以子进程关闭自己写端时，也要关闭哥哥的写端。才能实现父进程写端关闭，子进程退出。

2.3.1 Process.hpp

#pragma once#include #include #include #include #include #include #include \"Task.hpp\"#define CHILD_PROCESS_NUM 3#define ERR_EXIT(m) \\ do\\ { \\ perror(m); \\ exit(EXIT_FAILURE); \\ } while (0)class Channel // 子进程的pid，父进程对应该子进程的匿名管道的写端{public: Channel(pid_t chpid, int wfd) : _chpid(chpid), _wfd(wfd) { } pid_t getpid() { return _chpid; } int getwfd() { return _wfd; } void Close() { close(_wfd); } void Wait() { waitpid(_chpid,nullptr,0); }private: pid_t _chpid; int _wfd;};class ChannelManager{public: void InsertChannel(pid_t pid, int wfd) { channels.emplace_back(pid, wfd); } int wfd(int index) { return channels[index % channels.size()].getwfd(); } int pid(int index) { return channels[index % channels.size()].getpid(); } void Printf() { for (auto e : channels) printf(\"child pid : %d , wfd : %d\\n\", e.getpid(), e.getwfd()); } void Close() { for (auto e : channels) e.Close(); } void Wait() { for (auto e : channels) e.Wait(); }private: std::vector channels;};class ProcessPool{public: ProcessPool(int num) : _child_process_num(num) { _tm.RegisterTask(func1); _tm.RegisterTask(func2); _tm.RegisterTask(func3); } void Work(int rfd) { while (true) { int code = 0; int n = read(rfd, &code, sizeof(int)); if (n == 0) break; else if (n == 4) { _tm.ExecuteTask(code); } else { continue; } } } void Create() { for (int i = 0; i < _child_process_num; ++i) { int fds[2] = {0}; int n = pipe(fds); if (n != 0) ERR_EXIT(\"pipe\"); int pid = fork(); if (pid == -1) ERR_EXIT(\"fork\"); else if (pid == 0) { // child close(fds[1]); // 关闭自己的写端 _cm.Close(); // 关闭哥哥进程的写端 Work(fds[0]); close(fds[0]); exit(0); } else { // parent close(fds[0]); _cm.InsertChannel(pid, fds[1]); } } std::cout << \"Create Success\" << std::endl; _cm.Printf(); } void Run() { int i = 0; while (true) { sleep(1); int code = _tm.Code(); std::cout << \"发送child \" << _cm.pid(i) << \" 一个任务码\" << code << std::endl; write(_cm.wfd(i), &code, sizeof(int)); i++; } } ~ProcessPool() { // 关闭父进程的写端即可，子进程都读到结尾，退出。 _cm.Close(); // 回收子进程。 _cm.Wait(); }private: int _child_process_num; ChannelManager _cm; TaskManager _tm;};

2.3.2 Task.hpp

#include #include #include #include #include void func1(){ std::cout<<\"***** 打开数据库 *****\"<<std::endl;}void func2(){ std::cout<<\"***** 打开日志 *****\"<<std::endl;}void func3(){ std::cout<<\"***** 运行Hello World *****\"<<std::endl;}class TaskManager{public: TaskManager() { srand(time(nullptr)); } void RegisterTask(std::function f) { _tasks.push_back(f); } int Code() { return rand() % _tasks.size(); } void ExecuteTask(int code) { if(code >= 0 && code < _tasks.size()) _tasks[code](); }private: std::vector<std::function> _tasks;};

2.4 命名管道

• int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);创建一个命名管道文件filename(可指定路径)，mode指定文件的权限，成功返回0，失败返回-1。
• open(filename)，close(fd)，打开关闭，read(fd)，write(fd)读写。
• unlink(const char *filename);会立即移除命名管道在文件系统中的路径（即filename不再可见），但不会影响已经打开该管道的进程。成功返回0，失败返回-1。
• unlink后，所有进程关闭了该管道的文件描述符（延迟到引用计数降为 0），释放资源。
• 命名管道文是内存级的(有路径，有文件名，但是数据不需要刷新到磁盘)。
• 命名管道文件用于不同的进程间通信(通常用于父子间通信)。

2.5 管道的特性

• 管道文件用于单向通信，属于半双工(一发一收)。通常收发在一开始就确定了，不能改。
• 管道文件，自带同步机制(一发一收，有顺序)。
• 管道文件，面向字节流(没有按特定的序列读写)。
• 管道文件，大小通常为64KB。
• 管道文件的写入的数据 <= PIPE_BUF(通常为4KB) 时，具有原子性(数据要么全部写入，要么完全不写入，不会被其他进程的写入穿插)。

3、System V IPC

3.1 System V 共享内存

共享内存区是最快的IPC形式。因为不需要系统调用。但是没有“保护机制”，数据读取随意。

3.1.1 shmget()

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

• key：用户层共享的共享内存标识符，在用户层，让不同进程打开同一个共享内存。因为内核的共享内存的shmid是运行后才有的，此时不能通信，给不了id，不能指向同一个共享内存。共享内存是内存级，没有名字，用key标识。一般使用ftok，创建一个唯一的key。
• size：共享内存的大小。共享内存的大小为4KB的整数倍，但是申请了多少，就给多少，如：申请4097B，共享内存在内核中为8KB，但是只给你4097B。
• shmflg：IPC_CREAT，不存在，就创建，存在，就打开。用于打开。；IPC_CREAT|IPC_EXCL|权限，不存在，就创建，存在，就报错。用于创建。
• 成功返回shmid，失败返回-1。

注意：

对共享内存的其他操作都使用内核共享内存的shmid，不使用key。

3.1.2 shmat()&&shmdt()

• void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);将共享内存挂接到进程的虚拟地址空间，成功返回起始虚拟地址，失败返回(void*)-1。shmaddr是设置其实虚拟地址的位置，一般用不上，传NULL就行。shmflg当前进程的映射行为（仅自身有效），通常传0，可读可写。
• int shmdt(const void *shmaddr);去共享内存的关联。共享内存的引用计数为0，释放资源。

3.1.3 shmctl()

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

• ipcs -m shmid，查看共享内存。
• ipcrm -m shmid，删除指定的共享内存。

3.2 内核中System V IPC资源的组织管理

• System V 是一个标准，Linux支持了这种标准，并专门设计了一个IPC模块。
• 共享内存，消息队列，信号量(本质是一个计数器，描述的是临界(共享)资源中，资源的数量)，是System V IPC的三种核心机制，接口使用类似，都有struct ipc_perm* -> 独立的数据结构 struct shmid_ds*, struct msqid_ds*, struct semid_ds*(通过强制类型转换，实现多态)，key区分唯一(不能使用相同的key)。