Linux_进程间通信

news2025/1/22 12:30:12
  • 管道
  • System V 共享内存
  • System V IPC 接口介绍

由于进程地址空间的存在，所以进程间有具有独立性，一个进程看不到另一个进程的数据。那么如果我们想让进程间通信，就必须先让它们先看到同一份资源。常见的进程间通信的方法有管道，System V IPC， POSIX IPC。管道是最古老的一种通信手段，System V ，POSIX 是用于进程间通信的标准。

一.管道

管道的本质是文件，让两个进程看到同一份文件，即指向同一个struct file 结构体，就能让两个进程看到同一份资源，之后就可以开始正常通信了。

1.1 匿名管道

匿名管道就是利用系统调用在程序内创建一个内存级文件(只有struct file结构体)，通过父子进程间的继承关系来看到同一份文件。
接口：
image.png

  • 功能：用读写方式打开匿名文件，pipefd[0] 表示读方式打开，pipefd[1] 表示写方式打开

当父进程创建子进程时，子进程会复制大部分父进程的task_struct。故此父进程打开的文件，子进程也能看到。如图：
在这里插入图片描述

由于管道是单向通信，所以我们应该关闭不需要的fd。如果我们想让父进程读，子进程写，则需关闭父进程写端pipefd[1],子进程读端pipefd[0]。之后父进程就可以正常通信了。代码示例如下：

int main()
{
    int pipefd[2];
	int n = pipe(pipefd);
    assert(n != -1);

    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        // 子进程
        close(pipefd[0]);

        // 通信代码。。。

    	//通信完毕，关闭文件描述符
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    // 父进程
    close(pipefd[1]);

    // 通信代码。。。。

    waitpid(id, nullptr, 0);

    close(pipefd[0]);
    
    return 0;
}

特性：

  1. 匿名管道是一种单向通信方式，是半双工的一种特殊情况。
  2. 匿名管道用于具有血缘关系的进程之间通信，比如父子，兄弟
  3. 由于匿名管道是文件，所以生命周期随进程
  4. 面向字节流，当写入的字节数小于PIPE_BUFF(4096)时，保证其原子性，
  5. 由于匿名管道是通过系统调用写入和读出数据，所以自带保护机制（同步）
    1. 当写端退出，读端读完数据后，read系统调用返回0
    2. 当读端退出，写端立即退出，os向写端发送SIGPIPE信号
    3. 当缓冲区空时，读端阻塞等待写端写入数据
    4. 当缓冲区数据满时，写端阻塞等待读端读取数据

1.2 命名管道

匿名管道主要用于具有血缘关系的进程，如果想让两个没有关系的进程通信，就需要用到命名管道，命名管道具有Inode节点，但是没有Data Blocks，不会将数据刷新到磁盘，它只用于进程间通信。创建命名管道有两种方式：1.命令行：mkfifo 指令 2.函数接口mkfifo
接口：

  1. 命令行：mkfifo

image.png

  1. 函数接口mkfifo

在这里插入图片描述

  • pathname：在哪个路径下创建
  • mode：文件的起始权限

需要通信的多个进程中，只要有一个进程创建了命名管道，然后其他进程只需要知道路径，就能满足多个进程看到同一份资源。
代码：
下面构造一个客户端与服务端的代码示例。由服务器端创建命名管道，服务区读，客户端写

#define PATHNAME "./fifo"
// server.c  

int main()
{
    mkfifo(PATHNAME, 0666);

    int fd = open(PATHNAME, O_RDONLY);

	// 调用read函数进行读取数据通信

    close(fd);

    // 删除管道文件
    unlink(PATHNAME);
    
    
    return 0;
}

//
// client.c  

int main()
{
    int fd = open(PATHNAME, O_WRONLY);

	// 调用write函数向管道写入数据

    close(fd);
      
    return 0;
}

二.System V 共享内存

进程间通信除了管道，还可以调用系统接口在内存中创建一块共享空间，并且将这块共享空间映射到程序地址空间中（关联），此时进程就可以读写这块空间。共享内存在操作系统内可能有很多，为了便于管理，需要有一个结构体。类似于进程等于内核数据结构+代码，共享内存=内核数据结构+空间。
image.png
ipcs -m 可以查看系统内部的共享内存
ipcrm -m shmid 可以根据shmid删除共享内存

1.接口介绍
  1. 创建共享内存：shmget在这里插入图片描述

image.png

  • key：一个整数，多个进程只要保证调用shmget时，传递相同的key，就可以保证打开同一个共享内存。获取key可以用ftok函数，其中参数是自己设定的
  • size：共享内存的实际可用大小。操作系统分配是以4KB为单位的。
  • shmflg：位图结构体，常用的宏：IPC_CREAT IPC_EXCL，也可以设置共享内存的权限
  • 返回值：返回一个shmid值
  • shmid与key的关系。shmid和key的关系，类似于文件inode编号和fd的关系。key类似于inode编号，shmid类似于fd
    2. 进程与共享内存关联与取消关联

image.png

  • shmat：进程与共享内存关联
    • shmaddr一般设置为空，shmflg一般设置为0
    • 返回值：返回共享内存在虚拟空间中的地址
  • shmdt：
    • 根据虚拟地址将共享内存与进程取消关联
    1. 删除共享内存

在这里插入图片描述

  • shmctl有许多功能，例如查看共享内存结构体的属性，删除共享内存等等，我们重点用这个接口删除共享内存
  • 将cmd参数设置为IPC_RMID ,即可删除对应的共享内存
2.代码示例

三个文件，一个头文件，放函数定义，一个客户端文件，一个服务端文件，服务端创建共享内存和删除共享内存。

#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string>
#include <cstring>
#include <unistd.h>


using namespace std;

//int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
//key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

const string pathname = ".";
const int proj_id = 0432;
const size_t shmSize = 4096;

key_t getKey(const string& pathname, int proj_id)
{
    return ftok(pathname.c_str(), proj_id);
}

// 当shmflg = IPC_CREAT | IPC_EXCL ，表明创建一个共享内存,
//										如果不存在，则创建，存在则报错
int shmHelper(int shmflg)
{
    key_t key = getKey(pathname, proj_id);

    int shmid = shmget(key, shmSize, shmflg);

    cout << shmid << endl;
    if (shmid == -1)
    {
        cerr << errno << " : " << strerror(errno) << endl;
        exit(1);
    }

    return shmid;
}


int createShm()
{
    umask(0);
    return shmHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL|0666); 
    // 不存在则创建，存在则返回shmid
}

int getShm()
{
    return shmHelper(IPC_CREAT);
    // 不存在则创建，存在则失败返回
}

char* attchShm(int shmid)
{
    // 用法和malloc差不多
    char* begin = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
    if (begin == (void*)-1)
    {
        cerr << errno << " : " << strerror(errno) << endl;
        exit(1);
    }

    return begin;
}


void detachShm(char* begin)
{
    int n = shmdt(begin);
    if (n == -1)
    {
        cerr << errno << " : " << strerror(errno) << endl;
        exit(1);
    }
}

void destroyShm(int shmid)
{
    int n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);

    if (n == -1)
    {
        cerr << errno << " : " << strerror(errno) << endl;
        exit(1);
    }
}


#include"common.hpp"


int main()
{
    // 1. 创建共享内存
    int shmid = createShm();

    // 2.与进程关联
    char* begin = attchShm(shmid);

    //中间就是通信部分
    int i = 0;
    while (true)
    {
        sleep(3);
        cout << begin[i++] << endl;
        i %= 25;
        sleep(1);
    }

    // 3.去关联
    detachShm(begin);

    // 4. 销毁共享内存
    destroyShm(shmid);

    return 0;


#include"common.hpp"


int main()
{
    // 1. 获取共享内存
    int shmid = getShm(); 

    // 2.与进程关联
    char* begin = attchShm(shmid);

    //通信部分
    // 共享内存没有保护机制，所以

    int i = 0;
    while (true)
    {
        begin[i++] = 'a'+i;

        i %= 25;
        sleep(1);

    }

    // 3.去关联
    detachShm(begin);

    return 0;

3.共享内存的特点
  1. 大小是以4KB为单位的，比如在shmget中设置size为4087，它会向上对奇到2KB
  2. 速度在众多通信方式中是最快，因为它是直接访问内存，不用经过函数调用
  3. 没有保护机制（同步互斥）。因为不经过系统调用，所以保护机制需要由用户设置

三.System V IPC接口介绍

System V IPC 有三种通信方式：共享内存，消息队列，信号量。由于System V 定义的是一套标准，所以它们的接口都很相似。
命令行中可以用ipcs查看这三种通信方式的属性。也可以用 ipcs -q 查看消息队列，ipcs -s 查看信号量，ipcs -m 查看共享内存。删除命令：ipcrm -m/-s/-q
image.png
下面初步了解一下接口，知道它们的相似性。

1.消息队列
  1. 创建消息队列：msgget

image.png

  1. 发送/接受消息：msgsnd-发送，msgrcv-接收

image.png
其中，msgp需要用户自定义：
image.png

  1. 删除消息队列：msgctl(msqid, IPC_RMID, nullptr)

image.png

2.信号量

信号量（信号灯），可以将它看作一个计数器，表明可用资源的数量。信号量可与共享内存协同工作，每一次申请空间资源时，信号量-1，当信号量为0时，申请资源的进程挂起。当释放空间资源时，信号量+1。

  1. 创建：semget

image.png

  • nsems：一次创建多个信号量
  1. 操作：加1，减1。semop

image.png

  • nsops，指明需要对哪个信号量做操作，默认为0
  • sops，设置操作方式image.png

当sem_op 为-1时，表明信号量做-1操作；当sem_op为1时，表明信号量做+1操作

  1. 删除信号量

image.png

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