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linux基础——linux进程间通信(IPC)机制总结

2019-11-14 03:35:57

转载地址:https://blog.csdn.net/a987073381/article/details/52006729

 

在linux下的多个进程间的通信机制叫做IPC(Inter-Process Communication),它是多个进程之间相互沟通的一种方法。在linux下有多种进程间通信的方法:半双工管道、命名管道、消息队列、信号、信号量、共享内存、内存映射文件,套接字等等。使用这些机制可以为linux下的网络服务器开发提供灵活而又坚固的框架。

1. 管道 (PIPE)

    管道实际是用于进程间通信的一段共享内存,创建管道的进程称为管道服务器,连接到一个管道的进程为管道客户机。一个进程在向管道写入数据后,另一进程就可以从管道的另一端将其读取出来。
管道的特点:
1、管道是半双工的,数据只能向一个方向流动;需要双方通信时,需要建立起两个管道;
2、只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程)。比如fork或exec创建的新进程,在使用exec创建新进程时,需要将管道的文件描述符作为参数传递给exec创建的新进程。当父进程与使用fork创建的子进程直接通信时,发送数据的进程关闭读端,接受数据的进程关闭写端。
3、单独构成一种独立的文件系统:管道对于管道两端的进程而言,就是一个文件,但它不是普通的文件,它不属于某种文件系统,而是自立门户,单独构成一种文件系统,并且只存在与内存中。
4、数据的读出和写入:一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾,并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道的实现机制:

管道是由内核管理的一个缓冲区,相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入,这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大,它被设计成为环形的数据结构,以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话,从管道中读取的进程会等待,直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候,尝试放入信息的进程会等待,直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候,管道也自动消失。

管道只能在本地计算机中使用,而不可用于网络间的通信。
pipe函数原型:
#include <unistd.h>   
int pipe(int file_descriptor[2]);//建立管道,该函数在数组上填上两个新的文件描述符后返回0,失败返回-1。  
eg.int fd[2]  
int result = pipe(fd);  

通过使用底层的read和write调用来访问数据。 向file_descriptor[1]写数据,从file_descriptor[0]中读数据。写入与读取的顺序原则是先进先出。

管道读写规则
当没有数据可读时
    O_NONBLOCK disable:read调用阻塞,即进程暂停执行,一直等到有数据来到为止。
    O_NONBLOCK enable:read调用返回-1,errno值为EAGAIN。
当管道满的时候
    O_NONBLOCK disable: write调用阻塞,直到有进程读走数据
    O_NONBLOCK enable:调用返回-1,errno值为EAGAIN
如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭,则read返回0
如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭,则write操作会产生信号SIGPIPE
当要写入的数据量不大于PIPE_BUF(Posix.1要求PIPE_BUF至少512字节)时,linux将保证写入的原子性。
当要写入的数据量大于PIPE_BUF时,linux将不再保证写入的原子性。

2. 命名管道(FIFO)
命名管道是一种特殊类型的文件,它在系统中以文件形式存在。这样克服了管道的弊端,他可以允许没有亲缘关系的进程间通信。
创建管道的两个系统调用原型:

#include <sys/types.h>   
#include <sys/stat.h>   
int mkfifo(const char *filename,mode_t mode); //建立一个名字为filename的命名管道,参数mode为该文件的权限(mode%~umask),若成功则返回0,否则返回-1,错误原因存于errno中。  
eg.mkfifo( "/tmp/cmd_pipe", S_IFIFO | 0666 );  

具体操作方法只要创建了一个命名管道然后就可以使用open、read、write等系统调用来操作。创建可以手工创建或者程序中创建。

int mknod(const char *path, mode_t mode, dev_t dev); //第一个参数表示你要创建的文件的名称,第二个参数表示文件类型,第三个参数表示该文件对应的设备文件的设备号。只有当文件类型为 S_IFCHR 或 S_IFBLK 的时候该文件才有设备号,创建普通文件时传入0即可。  
eg.mknod(FIFO_FILE,S_IFIFO|0666,0); 

 

管道和命名管道的区别:
对于命名管道FIFO来说,IO操作和普通管道IO操作基本一样,但是两者有一个主要的区别,在命名管道中,管道可以是事先已经创建好的,比如我们在命令行下执行
mkfifo myfifo
就是创建一个命名通道,我们必须用open函数来显示地建立连接到管道的通道,而在管道中,管道已经在主进程里创建好了,然后在fork时直接复制相关数据或者是用exec创建的新进程时把管道的文件描述符当参数传递进去。
一般来说FIFO和PIPE一样总是处于阻塞状态。也就是说如果命名管道FIFO打开时设置了读权限,则读进程将一直阻塞,一直到其他进程打开该FIFO并向管道写入数据。这个阻塞动作反过来也是成立的。如果不希望命名管道操作的时候发生阻塞,可以在open的时候使用O_NONBLOCK标志,以关闭默认的阻塞操作。

3. 信号 (signal)

信号机制是unix系统中最为古老的进程之间的通信机制,用于一个或几个进程之间传递异步信号。信号可以有各种异步事件产生,比如键盘中断等。shell也可以使用信号将作业控制命令传递给它的子进程。
在此列出几个简单使用方法定义:
#include <sys/types.h>   
#include <signal.h>   
void (*signal(int sig,void (*func)(int)))(int); //用于截取系统信号,第一个参数为信号,第二个参数为对此信号挂接用户自己的处理函数指针。返回值为以前信号处理程序的指针。  
eg.int ret = signal(SIGSTOP, sig_handle); 

由于signal不够健壮,推荐使用sigaction函数。

int kill(pid_t pid,int sig); //kill函数向进程号为pid的进程发送信号,信号值为sig。当pid为0时,向当前系统的所有进程发送信号sig。  
int raise(int sig);//向当前进程中自举一个信号sig, 即向当前进程发送信号。  
#include <unistd.h>   
unsigned int alarm(unsigned int seconds); //alarm()用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds指定的秒数后传送给目前的进程。如果参数seconds为0,则之前设置的闹钟会被取消,并将剩下的时间返回。使用alarm函数的时候要注意alarm函数的覆盖性,即在一个进程中采用一次alarm函数则该进程之前的alarm函数将失效。  
int pause(void); //使调用进程(或线程)睡眠状态,直到接收到信号,要么终止,或导致它调用一个信号捕获函数。

 4. 消息队列(Message queues)

消息队列是内核地址空间中的内部链表,通过linux内核在各个进程直接传递内容,消息顺序地发送到消息队列中,并以几种不同的方式从队列中获得,每个消息队列可以用IPC标识符唯一地进行识别。内核中的消息队列是通过IPC的标识符来区别,不同的消息队列直接是相互独立的。每个消息队列中的消息,又构成一个独立的链表。
消息队列克服了信号承载信息量少,管道只能承载无格式字符流。
消息队列头文件:

#include <sys/types.h>   
#include <sys/stat.h>   
#include <sys/msg.h>   

1、消息缓冲区结构

struct msgbuf{  
    long mtype;  
    char mtext[1];//柔性数组  
}  

在结构中有两个成员,mtype为消息类型,用户可以给某个消息设定一个类型,可以在消息队列中正确地发送和接受自己的消息。mtext为消息数据,采用柔性数组。

Linux内核中,每个消息队列都维护一个结构体,此结构体保存着消息队列当前状态信息,该结构体在头文件linux/msg.h中定义。
3、ipc_perm内核数据结构
struct ipc_perm{  
  key_t key;  
  uid_t uid;  
  gid_t gid;  
  .......  
}; 

 

结构体ipc_perm保存着消息队列的一些重要的信息,比如说消息队列关联的键值,消息队列的用户id组id等。它定义在头文件linux/ipc.h中。
常用函数:
系统建立IPC通讯 (消息队列、信号量和共享内存) 时必须指定一个ID值。通常情况下,该id值通过ftok函数得到。


——By SharkDeng
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