进程间通信

一、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（一组）进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行，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变化。
• 进程间通信（传输数据，同步执行流，消息通知等）只是手段，目的是实现多进程协同。

二、管道

1、概念

• 管道是指从一个进程连接到另一个进程的一个数据流，它是Unix中最古老的进程间通信的形式。
• 管道都是单向传输内容的，传输的都是"资源"，即数据。

2、示意图

三、匿名管道

1、pipe函数

（1）函数

（2）概念

• pipe函数创建一个可用于进程间通信的单向数据通道。
• 数组pipefd用于返回引用读端和写端这两个文件描述符。pipefd[0]是管道的读取端，pipefd[1]是管道的写入端。写入管道写入端的数据由内核缓冲，直到从读取端读取。

2、示例代码

#include<iostream>
#include<string>
#include<cstring>
#include<cassert>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;

int main()
{
    int pipefd[2] = {0};
    int res = pipe(pipefd);
    assert(res != -1);
    pid_t id = fork();
    assert(id != -1);
    if(id == 0)
    {
        close(pipefd[1]);
        char receive_buff[1024] = {0};
        while(true)
        {
            ssize_t s = read(pipefd[0], receive_buff, sizeof(receive_buff) - 1);
            if(s == 0)
            {
                cout << "write over, i over" << endl;
                break;
            }
            receive_buff[s] = 0;
            cout << "child receive, pid=" << getpid() << ",father said: " << receive_buff << endl;
        }
        exit(0);
    }
    close(pipefd[0]);
    int cnt = 0;
    string s = "snow dragon writed";
    char send_buff[1024] = {0};
    while(cnt < 6)
    {
        snprintf(send_buff, sizeof(send_buff), "%s : %d", s.c_str(), cnt++);
        write(pipefd[1], send_buff, strlen(send_buff));
        sleep(1);
    }
    close(pipefd[1]);
    cout << "write over" << endl;
    pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);
    cout << "wait sucess, id= " << id << ", ret= " << ret << endl;
    assert(ret > 0);

    return 0;
}

3、运行结果

4、单进程使用匿名管道示意图

5、父子进程使用匿名管道示意图

6、读写规则

• 当管道内没有数据可读时，read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来为止。
• 当管道内存储的数据满时，write调用阻塞，直到有进程读走数据为止。
• 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会产生信号SIGPIPE，进而可能导致write进程退出。
• 当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性，否则不保证。

7、特点

• 只能用于具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程之间进行通信（常用于父子进程间通信）。即一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork函数，然后父、子进程之间就可用该管道进行通信。
• 管道使进程间协同得以实现，且提供了访问控制，即内核会对管道操作进行同步与互斥。
• 管道提供的是面向流式（字节流）的通信服务。
• 管道是基于文件的，而文件的生命周期是随进程的，所以，管道的生命周期是随进程的，进程退出，管道就会被释放。
• 管道是半双工的，即数据只能向一个方向流动。当需要双方同时通信时，可以建立两个管道去实现这一目的。

四、命名管道

1、概念

• 管道应用的一个限制是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信，如上方的匿名管道。
• 想在不相关的进程之间交换数据的话，可以使用FIFO文件，即命名管道，它是一种特殊类型的文件，不会与外设（磁盘）进行io操作。

2、mkfifo函数

（1）函数

（2）概念

• mkfifo函数创建一个名称为pathname的FIFO特殊文件。mode指定该FIFO文件的权限。 它由进程的umask以通常的方式修改。
• FIFO特殊文件有名字，可以被打开，并且不会将内存数据刷新到磁盘中。类似于管道，只是它的创建方式不同。但FIFO特殊文件不是匿名通信通道，而是通过调用mkfifo函数输入到文件系统中。
• 以这种方式创建FIFO特殊文件后，任何进程都可以打开它进行读取或写入，其使用方式与普通文件相同。 但是，它必须同时在两端打开，然后才能对其执行任何输入或输出操作。 打开FIFO文件进行读取通常会阻塞，直到其他进程打开相同的FIFO文件进行写入，反之亦然。

3、打开规则

• 如果当前打开操作是以读方式打开管道（FIFO文件）时，阻塞直到有相应进程以写方式打开该命名管道（FIFO文件）。
• 如果当前打开操作是以写方式打开管道（FIFO文件）时，阻塞直到有相应进程以读方式打开该命名管道（FIFO文件）。

五、system V共享内存

1、概念

• 共享内存是最快的IPC形式，当这样的内存映射到共享它的进程的地址空间中时，这些进程间的数据传递不再涉及到内核，即进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据。
• 共享内存没有进行同步与互斥，即不具备访问控制。

2、共享内存示意图

3、相关函数

（1）ftok函数

【1】函数

【2】概念

• ftok函数使用由给定路径名（pathname）命名的文件的标识（必须引用现有的、可访问的文件）和最少有效8 bits的proj_id（必须为非零）来生成key_t类型的 System V IPC 值key，生成的该值适用于 msgget、semget 和 shmget。
• 当使用相同的 proj_id 值时，对于命名同一文件的所有路径名（pathname），结果值都是相同的。 当（同时存在的）文件标识（pathname）或proj_id 不同时，返回的值应是不同的。

（2）shmget函数

【1】函数

【2】概念

• 如果存在与参数key对应的内存段，shmget函数返回与key值关联的System V共享内存段的标识符。 如果不存在与key对应的内存段，并在shmflg中指定了IPC_CREAT时，创建一个新的共享内存段，其大小等于size的值（四舍五入为 PAGE_SIZE） 的倍数，然后返回与key值关联的System V共享内存段的标识符。
• 如果 shmflg 同时指定了IPC_CREAT和IPC_EXCL，并且 key 值关联的System V共享内存段已经存在，则shmget函数失败，并将errno设置为EEXIST。
• IPC_CREAT：创建新区段。 如果未使用此标志，则shmget函数将找到与key关联的内存段，并检查用户是否有权访问该内存段。当单独使用此标志时，如果创建共享内存时，底层已经存在该区段，则获取它并返回；如果不存在，则创建内存段并返回。
• IPC_EXCL：与IPC_CREAT一起使用，以确保在内存段已存在时发生故障。而单独使用IPC_EXCL时，没有意义。
• 只有在创建共享内存段的时候才用到key值，在其他大部分情况下，用户访问共享内存段用的都是shmid，即shmget函数的返回值，它是共享内存段的用户层标识符。

（3）shmat和shmdt函数

【1】函数

【2】概念

• shmat函数将shmid标识的 System V 共享内存段附加到调用进程的地址空间。如果shmaddr为 NULL，则系统会选择一个合适（未使用）的地址来链接该内存段。
• 调用shmat函数成功后，返回附加的共享内存段的地址；失败则返回（void *） -1，并将 errno 设置为指示错误的原因。
• shmat函数的返回值可由用户的意愿强转为其他类型以供使用，该返回值在shmdt中作为参数。
• shmdt将位于shmaddr指定地址的共享内存段与调用进程的地址空间分离（不等于删除共享内存段）。 待分离段的shmaddr必须是已经被附加的，且必须为shmat调用的返回值，即为shmat所返回的指针。

（4）shmctl函数

【1】函数

【2】概念

• shmctl函数在 System V 共享内存段上执行 cmd 指定的控制操作，操作对象为标识符shmid指定的共享内存段。
• buf 参数是指向 shmid_ds 结构的指针，在 <sys/shm.h> 中的定义如下所示：
  

【3】cmd的有效值

• IPC_STAT：将信息从与 shmid 关联的内核数据结构复制到 buf 指向的shmid_ds结构中。 调用方必须具有共享内存段的读取权限。
• IPC_SET：将 buf 指向的 shmid_ds 结构的某些成员的值写入到与此共享内存段关联的内核数据结构中，同时更新其shm_ctime成员。可以更改以下字段：shm_perm.uid、shm_perm.gid 和 shm_perm.mode（最低有效 9 位）。 调用进程的有效 UID 必须与共享内存段的所有者 （shm_perm.uid） 或创建者 （shm_perm.cuid） 匹配，否则调用方必须具有特权。
• IPC_RMID：标记销毁标识符shmid指定的共享内存段。 只有在最后一个进程将其分离后（即，当关联结构shmid_ds的shm_nattch成员为零时），该段才会真正地被销毁。 调用方必须是所有者或创建者，或者具有特权。 如果某个段已被标记为销毁，则将设置IPC_STAT检索的关联数据结构中 shm_perm.mode 字段的（非标准）SHM_DEST标志。调用方必须确保段最终被销毁；否则，其错误的页面将保留在内存或swap中。

4、命令行操作共享内存段

• ipcs -m：查看存在的共享内存段。
• ipcrm -m shmid：删除shmid标识的共享内存段，即释放资源。

六、进程互斥

• 临界资源（互斥资源）：多个进程（执行流）都能看到的公共资源。
• 临界区：进程中访问临界资源的程序段。
• 互斥：为了更好地进行临界区的保护，让多执行流在任何时刻，都只能有一个进程进入临界区。
• 原子性：要么不做，要么做完，没有中间状态。

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