【Linux第八课-进程间通信】管道、共享内存、消息队列、信号量、信号、可重入函数、volatile

两个进程之间可以进行“数据”的之间传递吗？不能！进程具有独立性

进程间通信

为什么？

1、数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
2、资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
3、通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
4、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

是什么？

一个进程把自己的数据，能够交给另一个进程

怎么办？

一般规律

1、交换数据的空间（内存）
2、不能由通信双方任何一个提供！操作系统提供
进程间通信本质先让不同的进程，看到同一份资源（一般由OS提供）

具体做法

OS提供的“空间”有不同的样式，决定了不同的通信方式
1、管道（匿名、命名）
2、共享内存
3、消息队列
4、信号量

本地通信很少了，现在更多是基于网络的

匿名管道

原理

1、父进程以读方式、写方式打开一个文件
struct file是允许多个进程通过指针只想我的

参数int pipefd[2]：是个输出型参数，得到两个fd，pipefd[0]–r、pipefd[1]–w
返回值：0表示成功，-1表示错误】

代码

验证父子进程通信

（1）四种情况
情况一：管道内部没有数据 && 子进程不关闭自己的写端文件fd，读端（父）就要阻塞等待，直到pipe有数据
情况二：管道内部被写满 && 父进程（读端）不关闭自己的fd，写端（子）写满之后，就要阻塞等待
情况三：对于写端而言，不写了&&关闭了pipe，读端会将pipe中的数据读完，最后就会读到返回值为0，表示读结束，读到文件的结束
情况四：读端不读&&关闭，写端在写，OS会直接终止写端的进程（子进程），通过信号13)SIGPIPE信号杀掉进程
（2）五种特性
特征一：自带同步机制
特征二：血缘关系进行进程通信的，通常在父子
特征三：pipe是面向字节流的
特征四：
特征五：

应用场景代码 – 进程池

1、创建通信信道和子进程
2、控制子进程

a.选择一个进程通道
b.选择一个任务
c.发送任务

3、回收子进程

怎么让所有子进程退出：关闭进程池的写端，对应的子进程读到0就会相应退出了
怎么让所以已经退出的子进程（子进程僵尸）

问题：前面的进程的管道，除了父进程的写端指向，子进程的写端也会指向（子进程会拷贝父进程的文件描述符）

命名管道

原理

想要毫无关系的两个进程进行通信
让不同进程看到同一份资源

对于同一个文件，同一个进程以w、r两种方式打开，会产生两个struct_file但是指向的缓冲区和inode以及函数指针数组都是一样的
对于同一个文件，不同的进程打开，也会产生相应的struct_file，但是struct_file指向的缓冲区、函数指针数组、以及inode都是一样的

怎么保证两个进程打开同一个文件？ 找到文件：文件的路径+文件名

需要特性的文件，不是上面的普通文件，不需要把数据刷新到磁盘
通过文件路径和文件名创建的特殊文件 – 命名管道

mkfifo

返回值
0：代表创建成功
其他：代表失败

代码

c_str() 是一个成员函数，通常用于std::string类。c_str()方法返回一个指向常量字符数组的指针，这个字符数组以 null 字符（‘\0’）结束，使得它可以兼容C语言的字符串处理函数。

#ifndef __COMM_HPP__
#define __COMM_HPP__

//....

#endif

#ifndef __COMM_HPP__:
#ifndef 是条件编译指令，表示“如果没有定义（if not defined）”。这里的 __COMM_HPP__ 是一个宏名，通常是根据文件名定义的。它检查这个宏是否已经被定义。
#define __COMM_HPP__:
如果 __COMM_HPP__ 这个宏没有被定义，接下来的代码就会被编译，并且会定义这个宏。这样，下一次再包含这个头文件时，#ifndef __COMM_HPP__ 的条件就会失败，从而跳过整个头文件的内容。
#endif：
这条指令用于结束 #ifndef 的条件编译块。

服务端
1、创建管道文件
2、读管道
3、关闭管道

客户端
1、写管道

如果我们的写端没有打开，先读端打开，open的时候就会阻塞，直到把写端打开，读open才会返回 – 这是命名管道的特有特点

基于命名管道创建一个进程池

system V

上面是基于文件的
这个是内存中专门用于通信的
system V — 系统V （1）共享内存（2）消息队列（3）信号量

共享内存

1、创建共享内存

server获取key，创建共享内存
client获取key，获取共享内存
2、链接 – 将共享内存链接到进程的地址空间中
client、server都链接

进行通信

默认情况，shm读取方，根本就没管写入方
共享内存不提供两个进程间的任何协同的机制 — 缺点 — 数据不一致问题
共享内存是所有进程间通信速度最快的 ---- 这个空间没有系统调用，是用户空间 优点
由用户进行控制 – 信号量/用管道实现同步

server创建管道 – 协同机制

3、去除链接

4、删除共享内存
指令删除：ipcrm -m shmid
代码删除：shmctl

消息队列

一份公共的队列资源
创建共享队列
msgget：

返回值msgid

删除共享队列

信号量

1、对于共享资源进行保护，是一个多执行流场景下，一个比较常见和重要的话题
2、互斥&&同步(访问资源在安全的前提下，具有一定的顺序性)
3、被保护起来的，任何时刻只允许一个执行流访问的公共资源 — 临界资源
4、访问临界资源的代码 — 临界区，所谓的保护公共资源（临界资源）–> 保护公共资源的本质：是程序员保护临界区
5、非临界区
6、原子性：操作对象的时候，只有两种状态，要么还没开始，要么已经结束

信号量（信号灯）
资源不一定被我持有，才是我的，只要我预定了，在未来的某个时间，就是我的

信号量：本质是一个计数器，描述临界资源数量的计数器
进程：（1）申请信号量 – P操作（2）访问资源（3）释放信号量 – V操作

多进程场景，int能不能实现信号量的效果？
不能，
（1）int无法在进程间共享 – 让不同的进程先看到同一份资源 — 计数器资源
（2）count++和count–不是原子的

二元信号量就是一把锁

信号量的接口

申请信号量
semget：

你创建一个信号量，怎么让另一个进程看到，用同一个key即可
nsems:你想要创建几个信号量
semid返回值，信号量集标识符
档位数组就行

删除信号量
semctl：

semnum：要对哪个信号量进行操作
cmd：删除信号量IPC_RMID

PV操作
semop：

semid:哪个信号量集的标识符
sops
nsops:对哪个信号量进行操作

sem_num：对哪个信号量
sem_op：做什么操作
sem_flg：默认为0即可以

信号

信号vs信号量没有任何关系

概念

Linux系统提供的让用户（进程）给其他进程发送一部信息的一种方式

1、在没有发生的时候，我们已经知道发生的时候，怎么处理了
2、信号我们能够认识，之前有人给我的大脑中设置了识别特定信号的方式
3、信号到来的时候，我们正在处理更重要的事情，我们暂时不能处理到来的信号，我们必须暂时将到来的的信号进行临时保存
4、信号到来，可以不立即处理，可以在合适的时候处理
5、信号的产生是随时产生的，无法准确预料，所以信号是异步发送的（信号的产生，由别人（用户/进程）产生的，我收到之前，我一直在忙我的事情，并发在跑）

为什么？

停止，删除。系统要求进程有随时响应外部信号的能力，随后作出反应

怎么办？

准备

1、kill -l：数字名字都可以识别信号，名字其实就是宏

没有0、32、33
34-64：实时信号，来了必须立即处理
man 7 signal：查信号具体含义

2、信号的处理方式 ---- signal 可以更改我对信号处理的方式！
a、默认动作
b、自定义处理信号 — 捕捉
c、忽略了信号 ---- 是处理了信号吗？是

发送2号信号，默认动作，终止进程

signal：
signum：对几号信号进行捕捉
handler：函数指针
返回值：老的处理方法
信号处理一次，往后都有效

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>

void handler(int Sig)
{
    std::cout << "I capture a signal..." << std::endl;
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    while(true)
    {
        std::cout << "I am activiting..., mypid:" << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

捕捉退出码echo $?

忽略信号：SIG_IGN
第二个参数设为上面那个

int main()
{
    signal(2, SIG_IGN);
    while(true)
    {
        std::cout << "I am activiting..., mypid:" << getpid() << std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

信号的产生

1、kill命令

kill -9 pid：

2、键盘产生
ctrl + c：OS解释成为2号信号，向目标进程发生，进程收到，进程响应

ctrl + \：3号信号
ctrl z：19号暂停信号

3、系统调用
kill:对任意进程发送任意信号

代码图

raise：对自己发生任意信号

abort：终止进程，对自己发生指定信号 — 6号信号SIGABERT

4、软件条件

例如管道的读端关闭，写端写时，写入条件不具备就会被发送13号信号，终止进程

闹钟alarm，在seconds秒之后发送SIGALRM

返回值：0/以前设置的闹钟还剩多少秒

int main()
{
    alarm(1);
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        std::cout << "cnt: " << cnt++ << std::endl;
    }
    return 0;
}

设置一次，闹钟只会响一次
可以在捕捉函数里重新设置一个闹钟

void handler(int Sig)
{
    std::cout << "I capture a alarm..." << std::endl;
    alarm(2);
}

int main()
{
    signal(SIGALRM, handler);
    alarm(5);
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "cnt: " << cnt++ << std::endl;
    }-
    return 0;
}

闹钟提前响了会返回前一个闹钟的剩余描述

void handler(int Sig)
{
    int n = alarm(2);
    std::cout << "Last alarm: " << n << std::endl;
    
}

int main()
{
    signal(SIGALRM, handler);
    alarm(50);
    int cnt = 0;
    while(true)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "cnt: " << cnt++ << ", PID:" << getpid() << std::endl;
    }
    return 0;
}

alarm(0):取消闹钟

int main()
{
    //signal(SIGALRM, handler);
    alarm(50);
    int cnt = 5;
    while(cnt)
    {
        sleep(1);
        std::cout << "cnt: " << cnt-- << ", PID:" << getpid() << std::endl;
    }
    int n = alarm(0);
    std::cout << "alarm(0), n:" << n << std::endl;
    return 0;
}

设定闹钟，其实是OS内部设定的，可能存在很多的闹钟。管理闹钟？先描述，在组织

5、异常
a.代码除0 – 8 SIGFPE
b.野指针 – 11 SIGSEGV

核心转储

man 7 signal：
进程终止：core/term

云服务器默认将core退出，进行了特定的设定，默认core是被关闭的
如何打开linux的core功能呢？
ulimit -a

ulimit -c 10240：10240设置文件大小随便设置

为什么有core？想通过core定位到进程为什么退出，以及执行到哪行代码退出的
是什么？将进程在内存中的核心数据（与调试有关）转储到磁盘中形成core/core.pid的文件，core dump(核心转储)
有什么用？协助我们进行调试，gdb利用core文件定位错误core-file core

信号的保存

概念

信号递达(Delivery)：实际执行信号的处理动作称为信号递达：默认、忽略、自定义
信号未决(Pending)：信号从产生到递达之间的状态,称为信号未决。
进程可以选择阻塞 (Block )某个信号。进程收到某些信号也可以不做处理，屏蔽(阻塞)信号
如果一个信号被阻塞(屏蔽)，则该信号永远不会被递达处理，除非解除阻塞
阻塞vs忽略：忽略是一种信号递达的方式，阻塞仅仅是不让指定信号进程递达

block表:1 - 阻塞；0 - 不阻塞

三张表匹配的操作和系统调用

1、block和pending表的数据结构
sigset_t：信号集，用户级信号类型，结构体
block表：阻塞信号集，也称信号屏蔽字
2、对sigset_t数据类型的操作函数

#include <signal.h>
int sigemptyset(sigset_t *set);
int sigfillset(sigset_t *set);
int sigaddset (sigset_t *set, int signo);
int sigdelset(sigset_t *set, int signo);
int sigismember（const sigset_t *set, int signo);

3、修改block位图
sigprocmask：

how：怎么操作，三种类型
set：要对哪些位置进行操作，写到色图集合里面
oset：输出型参数，把老的信号屏蔽字输出出来


4、修改pending位图
sigpending：
set：输出型参数

第一个场景
a.屏蔽2号信号
b.未来我们给进程发2号信号 – 2号信号不会被抵达 – 2号信号就会一直在pending位图中
c.获取打印pending位图

9号、19号信号不允许屏蔽，18号信号会被特殊处理

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <cassert>
void Print(sigset_t &pending)
{
    std::cout << "pending bitmap:";
    for (int i = 32; i > 0; i--)
    {
        int n = sigismember(&pending, i);
        if (n == 0)
        {
            std::cout << 0;
        }
        else
        {
            std::cout << 1;
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main()
{
    sigset_t block;
    sigset_t oblock;
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);
    sigaddset(&block, 2);
    // 1、屏蔽2号信号
    int n = sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oblock);
    assert(n == 0);
    std::cout << "pid: " << getpid() <<std::endl;
    while (true)
    {
        // 2、获取pending位图
        sigset_t pending;
        sigemptyset(&pending);
        n = sigpending(&pending);
        assert(n==0);

        // 3、打印pending
        Print(pending);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

第二个场景
2号信号被递达，从1变成0

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <cassert>
void Print(sigset_t &pending)
{
    std::cout << "pending bitmap:";
    for (int i = 32; i > 0; i--)
    {
        int n = sigismember(&pending, i);
        if (n == 0)
        {
            std::cout << 0;
        }
        else
        {
            std::cout << 1;
        }
    }
    std::cout << std::endl;
}
void handler(int segno)
{
    std::cout << "2号信号递达处理中..." << std::endl;
}

int main()
{
    //对2号信号的递达操作进行自定义
    signal(2, handler);
    sigset_t block;
    sigset_t oblock;
    sigemptyset(&block);
    sigemptyset(&oblock);
    sigaddset(&block, 2);
    // 1、屏蔽2号信号
    int n = sigprocmask(SIG_BLOCK, &block, &oblock);
    assert(n == 0);
    std::cout << "pid: " << getpid() <<std::endl;
    int cnt = 0;
    while (true)
    {
        if(cnt == 20)
        {
            //取消2号信号的屏蔽
            n = sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &block, &oblock);
            assert(n==0);
        }
        // 2、获取pending位图
        sigset_t pending;
        sigemptyset(&pending);
        n = sigpending(&pending);
        assert(n==0);

        // 3、打印pending
        Print(pending);
        sleep(1);
        cnt++;
    }
    return 0;
}

先清0，再递达；还是先递达，再清0？先清0，再递达
在2号信号抵达处理的过程中去打印block表，如果此时为0了 – 就是先清0，再递达；如果此时为1 – 那就是先递达，再清0

信号的处理

1、信号什么时候被处理
合适的时候，什么是合适的时候？进程从内核态，切换回用户态的时候，信号被检出并处理
用过系统调用 — 陷入内核 — OS执行系统调用 — 结果给用户

即便你的代码没有系统调用，但是进程切换本身也会内核态到用户态的切换（在CPU上运行用户态）

2、信号如何被处理
自己写的handler方法在用户态执行

3、捕捉信号还有其他方法吗？
sigaction：对一个指定信号进行捕捉

signum：

sa_mflags：默认0就行
当某个信号的处理函数被调用时，内核自动将当前信号加入进程的信号屏蔽字
如果除了当前正在处理的信号，还想屏蔽其他信号，用sa_mask

内核态和用户态

1、我们使用系统调用或者访问系统数据，其实还是在我进程地址空间内进行跳转的
2、进程无论如何切换，总能找到OS。我们访问OS，本质就是通过我的进程的地址空间的[3,4]GB来访问
系统调用表、系统调用号

操作系统然后跑起来的？
信号技术本来就是通过软件的方式，来模拟的硬件中断

OS的周期时钟中断，不断发送给操作系统，操作系统处理时钟中断跑起来

可重入函数

函数被执行流(main执行流、信号捕捉执行流)重复进入了，产生问题的函数称不可重入函数，不会产生问题的函数称可重入函数
我们用到的大部分函数都是不可重用的

volatile

CPU里面的计算：逻辑运算、数据运算

#include<stdio.h>
#include<signal.h>

int flag = 0;
void handler(int signo)
{
    printf("charge flag: %d -> %d\n", flag, 1);
    flag = 1;
}

int main()
{
    signal(2, handler);
    while(!flag);

    printf("process quit success\n");
    return 0;
}

gcc test.c

gcc test.c -O1

当对一个变量的值进行逻辑判断的时候，如果整个main函数中未对该变量进行修改，编译器默认会对我们的代码进行自动优化，将改变量的值直接把存在寄存器中，寄存器屏蔽了内存
解决：volatile修饰一个变量时，不允许将变量直接存在寄存器里，必须从内存中读取

加个{}可能就没有这个现象了

SIGCHLD

子进程退出，不会默默退出，会给父进程发生信号的 – SGCHLD

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void handler(int signo)
{
    std::cout << "child quit, father get a signo: " << signo << std::endl;
}

int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // child
        int cnt = 5;
        while (cnt--)
        {
            std::cout << "I am child process:" << getpid() << std::endl;

            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }

    while(true)
    {
        
    }
    return 0;
}

以前只能：waitpid/wait阻塞等、waitpid/wait非阻塞轮询等待子进程
父进程把子进程回收的代码方法放到信号处理函数中

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

void handler(int signo)
{
    std::cout << "child quit, father get a signo: " << signo << std::endl;
    int n = waitpid(-1, nullptr, 0);

}

int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // child
        int cnt = 5;
        while (cnt--)
        {
            std::cout << "I am child process:" << getpid() << std::endl;

            sleep(1);
        }
        exit(0);
    }

    while(true)
    {

    }
    return 0;
}

但是同时大量子进程退出时，pending位图只会记录一次 — 循环式的回收

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

void handler(int signo)
{
    while (true)
    {
        std::cout << "child quit, father get a signo: " << signo << std::endl;
        int n = waitpid(-1, nullptr, 0);
        if (n < 0)
        {
            break;
        }
    }
    std::cout << "child quit done" << std::endl;
}

int main()
{
    signal(SIGCHLD, handler);
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        pid_t id = fork();
        if (id == 0)
        {
            // child
            int cnt = 5;
            while (cnt--)
            {
                std::cout << "I am child process:" << getpid() << std::endl;

                sleep(1);
            }
            exit(0);
        }
    }


    return 0;
}

但当五十个退、五十个不退。第五十一个还会调用waitpid，第五十一个不会退出，那就会一直阻塞等，就回不去mian函数了 — waitpid函数里面的0改成WNOHANG非阻塞等待

int n = waitpid(-1, nullptr, WNOHANG);

让子进程退出方法
手动忽略，子进程退出后，父进程不用等待它 — 只linux平台下这样
不关心子进程的退出信息

signal(SIGCHLD, SIG_IGN)

系统的IGN，OS做了特殊处理将子进程变成僵尸

原文地址：https://blog.csdn.net/m0_60803455/article/details/143428406

免责声明：本站文章内容转载自网络资源，如本站内容侵犯了原著者的合法权益，可联系本站删除。更多内容请关注自学内容网（zxcms.com）！