网络编程：多进程和多线程编程

news2025/2/1 1:42:35

1. 多进程编程

1.1 fork

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
// 调用失败返回 -1 设置 errno
pid_t fork( void );

子进程返回 0，父进程返回子进程 PID；

信号位图被清除（父进程的信号处理函数不再对新进程起作用）

1.2 exec 系列系统调用

替换当前进程映像，一般情况下不会返回，出错后返回 -1 并设置 errno；

注意：exec 函数不会关闭原程序打开的文件描述符，除非该 fd 设置了 SOCK_CLOEXEC 属性；

1.3 处理僵尸进程

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
// 调用失败返回 -1 设置 errno
pid_t wait( int* stat_loc );
pid_t waitpid( pid_t pid, int* stat_loc. int options );

waitpid 只等待 pid 指定的子进程；pid 取值为 -1，和 wait 相同，等待任意一个子进程结束；
options 取值是 WNOHANG 时，waitpid 是非阻塞的：pid 指定的子进程没有结束或意外终止，立即返回 0；子进程正常退出，返回子进程 PID；

1.4 信号量

1.4.1 semget

创建一个新的信号量集，或者获取一个已经存在的信号量集；

#include <sys/sem.h>
// 成功返回一个正整数，标识信号量集
// 失败返回 -1 设置 errno
int semget( key_t key, int num_sems. int sem_flags );

key 用来标识一个全局唯一的信号量集；传递特殊键值 IPC_PRIVATE（值为 0）可以保证总是创建新的信号量集；
num_sems 指定信号量集中信号量的数目；（若是创建，必须指定；若是获取，设为 0）
sem_flags 指定该信号量的权限， 后 9 位与open中的 mode 一致；

#include <sys/sem.h>
struct ipc_perm
{
	key_t key;		/* 键值 */
	uid_t uid;		/* 所有者的有效用户 ID */
	gid_t gid;		/* 所有者的有效组 ID */
	uid_t cuid;		/* 创建者的有效用户 ID */
	gid_t cgid;		/* 创建者的有效组 ID */
	mode_t mode;	/* 访问权限 */
					/* 省略其他填充字段 */
};

struct semid_ds
{
	struct ipc_perm sem_perm;		/* 信号量的操作权限 */
	unsigned long int sem_nsems;	/* 信号量集的信号量数目 */
	time_t sem_otime;				/* 最后一次调用 semop 的时间 */
	time_t sem_ctime;				/* 最后一次调用 semctl 的时间 */
									/* 键值 */
};

semid_ds 是与信号量集相关联的内核数据结构，semget作用是创建并初始化它，会将 sem_otime 设为 0，sem_ctime 设为当前系统时间；

1.4.2 semop

改变信号量的值，是原子操作；

unsigned short semval;			/* 信号量的值 */
unsigned short semzcnt;			/* 等待信号值变为 0 的进程数量 */
unsigned short semncnt;			/* 等待信号值增加的进程数量 */
pid_t sempid;					/* 最后一次执行 semop 操作的进程 ID */
int semop( int sem_id, struct sembuf* sem_ops, size_t num_sem_ops );

sem_id 是 semget返回的信号量集标识符；sem_ops 指向 sembuf 数组；

struct sembuf
{
	unsigned short int sem_num;
	short int sem_op;
	short int sem_flg;
}

sem_num 为信号集中信号量的编号；

在这里插入图片描述
SEM_UNDO 的含义是，当进程退出时取消正在进行的 semop 操作，会更新进程的 semadj 变量,，来跟踪进程对信号量的修改情况；

1.4.3 semctl

对信号量直接控制

int semctl( int sem_id, int sem_num, int command, ... );

command 为要执行的命令，有些命令需要第 4 个参数，推荐如下形式

union semun
{
	int val;					/*用于 SETVAL 命令*/
	struct semid_ds* buf;		/*用于 IPC_STAT 和 IPC_SET 命令*/
	unsigned short* array;		/*用于 GETALL 和 SETALL 命令*/
	struct seminfo* __buf;		/*用于 IPC_INFO 命令*/
};

常用命令为

命令含义成功时返回值
IPC_RMID移除信号量集，唤醒所有等待该信号量集的进程（semop返回错误，errno 为 EIDRM）0
SETVAL将信号量的值设为 semun.val ，同时内核数据中的 semid_ds.sem_ctime 被更新0

1.5 共享内存

最高效的 IPC 机制；

1.5.1 shmget

创建一段新的共享内存或获取一段已经存在的共享内存；

#include <sys/shm.h>
// 成功返回正整数，为共享内存的标识；失败返回 -1 设置 errno
int shmget( key_t key, size_t size, int shmflg );

这三个参数与 semget含义相同，size 指定共享内存的大小，单位是字节；
shmflg 支持额外的两个标志：

  • SHM_HUGETLB；系统使用“大页面”分配共享内存，类似于 mmap的 MAP_HUGETLB 标志；
  • SHM_NORESERVE；不为共享内存保留交换分区，类似于 mmap的 MAP_NORESERVE 标志；这样当物理内存不足时，对该共享内存执行写操作将触发 SIGSEGV 信号；

shmget创建共享内存，所有字节都被初始化为 0，与之关联的内核数据结构为 shmid_ds 被创建和初始化；

struct shmid_ds
{
	struct ipc_perm shm_perm;	/* 共享内存的操作权限 */
	size_t shm_segsz;			/* 共享内存的大小，单位是字节 */
	__time_t shm_atime;			/* 对这段内存最后一次调用 shmat 的时间 */
	__time_t shm_dtime;			/* 对这段内存最后一次调用 shmdt 的时间 */
	__time_t shm_ctime;			/* 对这段内存最后一次调用 shmctl 的时间 */
	__pid_t shm_cpid;			/* 创建者的 PID */
	__pid_t shm_lpid;			/* 最后一次执行 shmat 或 shmdt 操作的进程 PID */
	shmatt_t shm_nattach;		/* 关联到此共享内存的进程数量 */
	/* 省略填充字段 */
};

初始化时，shm_lpid、shm_nattach、shm_atime、shm_dtime 设置为 0，shm_ctime 设置为当前时间；

1.5.2 shmat 和 shmdt

关联/分离到进程的地址空间

void* shmat( int shm_id, const void* shm_addr, int shmflg );
int shmdt( const void* shm_addr );

shm_addr 指定将共享内存关联到进程的哪块空间地址；

  • shm_addr 为 NULL，由操作系统选择，推荐的做法；
  • shm_addr 非空，并且 SHM_RND 未设置，共享内存关联到 addr 指定地址处；
  • shm_addr 非空，并且设置了 SHM_RND ，被关联的地址是 [shm_addr - (shm_addr%SHMLBA)]；

shmflg 还支持如下标志：

  • SHM_RDONLY；进程仅能读取共享内存中的内容；
  • SHM_REMAP；如果地址 shm_addr 已经被关联到一段共享内存上，重新关联；
  • SHM_EXEC；指定对共享内存段的执行权限；

shmat 成功返回被关联的地址，失败返回(void *) -1 并设置 errno；将 shm_nattach++，shm_lpid 设置为调用进程 PID，shm_atime 设置为当前时间；

shmdt 成功时返回 0，失败返回 -1 设置 errno；将 shm_nattach–，shm_lpid 设置为调用进程 PID，shm_dtime 设置为当前时间；

1.5.3 shmctl
// 失败时返回 -1 设置 errno
int shmctl( int shm_id, int command, struct shmid_ds* buf );
命令含义成功时返回值
SETVAL将信号量的值设为 semun.val ，同时内核数据中的 semid_ds.sem_ctime 被更新0
1.5.4 共享内存的 POSIX 方法

通过打开同一个文件， mmap 可以实现进程间的内存共享；
Linux 提高了另一种利用 mmap 在无关进程间共享内存的方式，无需任何文件的支持；

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
// 创建或打开一个 POSIX 共享内存对象
int shm_open( const char* name, int oflag, mode_t mode );
int shm_unlink( const char* name );

shm_open 成功返回一个文件描述符，该 fd 可用于后续的 mmap 调用，失败返回 -1 设置 errno。
shm_unlink 将 name 指定共享内存对象标记为等待删除；当所有使用该共享对象的进程都使用 ummap将它从进程中分离后，系统将销毁该对象；

ftruncate(fd, length)会将参数 fd 指定的文件大小改为参数 length 指定的大小。

1.6 消息队列

两个进程间传递二进制块数据一种简单有效的方式；
每个数据块都有一个特定的类型，接收方可以根据类型来选择地接收数据；

1.6.1 msgget
#include <sys/msg.h>
int msgget( key_t key, int msgflg );

参数含义与 semget一致，与之关联的内核数据结构 msqid_ds 被创建并初始化；

struct msqid_ds
{
	struct ipc_perm msg_perm;		/* 操作权限 */
	time_t msg_stime;				/* 最后一次调用 msgsnd 的时间 */
	time_t msg_stime;				/* 最后一次调用 msgrcv 的时间 */
	time_t msg_stime;				/* 最后一次被修改的时间 */
	unsigned long __msg_cbytes;		/* 消息队列中已有的字节数 */
	msgqnum_t msg_qnum;				/* 消息队列中已有的消息数 */
	msglen_t msg_qbytes;			/* 消息队列允许的最大字节数 */
	pid_t msg_lspid;				/* 最后执行 msgsnd 的进程 PID */
	pid_t msg_lrpid;				/* 最后执行 msgrcv 的进程 PID */
};

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