linux学习：进程通信（管道+信号）

管道

无名管道（PIPE）

特征

例子，通过pipe向父进程发送一段数据

编辑

有名管道（FIFO）

特征

例子

注意

信号

特征

api

例子1

例子2

例子3

例子4

信号相关的内核数据结构

管道

管道分为无名管道和有名管道

管道，那么可以想象他就像一根水管，连接两个进程，一个进程要给另一个进程数据，就好像将水灌进管道一样，另一方就可以读取出来了，反过来也一样

无名管道（PIPE）

常用于一对一的亲缘进程间通信的方式

特征

没有名字，因此无法使用 open( )。
只能用于亲缘进程间（比如父子进程、兄弟进程、祖孙进程……）通信。
半双工工作方式：读写端分开。
写入操作不具有原子性，因此只能用于一对一的简单通信情形。
不能使用 lseek( )来定位。
只能在一个进程中被创建出来，然后通过继承的方式将他的文件描述符传递给子进程
两个文件描述符，一个只能用来读，另一个只能用来写，“半双工”通信方式

例子，通过pipe向父进程发送一段数据

1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <string.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <errno.h>
6
7 int main(int argc, char **argv)
8 {
9      int fd[2]; // 1.用来存放 PIPE 的两个文件描述符
10
11     if(pipe(fd) == -1) // 2.创建 PIPE，并将文件描述符放进 fd[2]中
12     {
13     perror("pipe()");
14         exit(1);
15     }
16
17     pid_t x = fork(); // 3.创建一个子进程，他将会继承 PIPE 的描述符
18
19     if(x == 0) // 子进程
20     {
21         char *s = "hello, I am your child\n";
22         write(fd[1], s, strlen(s)); // 4.通过写端 fd[1]将数据写入 PIPE
23     }
24
25     if(x > 0) // 父进程
26     {
27         char buf[30];
28         bzero(buf, 30);
29
30         read(fd[0], buf, 30); // 5.通过读端 fd[0]将数据从 PIPE 中读出
31         printf("from child: %s", buf);
32     }
33
34     close(fd[0]); // 关闭文件描述符
35     close(fd[1]);
36     return 0;
37 }

有名管道（FIFO）

存在于文件系统之中，提供写入原子性特征

特征

有名字，存储于普通文件系统之中。
任何具有相应权限的进程都可以使用 open( )来获取 FIFO 的文件描述符。
跟普通文件一样：使用统一的 read( )/write( )来读写。
跟普通文件不同：不能使用 lseek( )来定位，原因同 PIPE。
具有写入原子性，支持多写者同时进行写操作而数据不会互相践踏。
First In First Out，最先被写入 FIFO 的数据，最先被读出来。

例子

示两个普通进程（Jack 和 Rose）如何通过 FIFO 互相传递信息：Jack 从键盘接收一段输入并发送给 Rose，Rose 接收到数据之后将其显示到屏幕上

.h文件定义管道名字

1 #ifndef _HEAD4FIFO_H_
2 #define _HEAD4FIFO_H_
3
4 #include <stdio.h>
5 #include <unistd.h>
6 #include <stdlib.h>
7 #include <string.h>
8 #include <fcntl.h>
9
10 #include <sys/stat.h>
11 #include <sys/types.h>
12
13 #define FIFO "/tmp/fifo4test" // 有名管道的名字
14
15 #endif

Jack.c文件写数据

1 #include "head4fifo.h" 2
3 int main(int argc, char **argv)
4 {
5     if(access(FIFO, F_OK))
6     {
7         mkfifo(FIFO, 0644);
8     }
9
10     int fifo = open(FIFO, O_WRONLY); // 以只写方式打开 FIFO
11
12     char msg[20];
13     bzero(msg, 20);
14
15     fgets(msg, 20, stdin);
16     int n = write(fifo, msg, strlen(msg)); // 将数据写入 FIFO
17
18     printf("%d bytes have been sended.\n", n);
19     return 0;
20 }

Rose.c 读数据

1 #include "head4fifo.h" 2
3 int main(int argc, char **argv)
4 {
5     if(access(FIFO, F_OK))
6     {
7         mkfifo(FIFO, 0644);
8     }
9
10     int fifo = open(FIFO, O_RDONLY); // 以只读方式打开管道
11
12     char msg[20];
13     bzero(msg, 20);
14
15     read(fifo, msg, 20); // 将数据从 FIFO 中读出
16     printf("from FIFO: %s", msg);
17
18     return 0;
19 }

注意

代码第 5 行中的函数 access( )通过指定参数 F_OK 可用来判断一个文件是否存在，另外还可以通过别的参数来判断文件是否可读、是否可写、是否可执行等
当刚开始运行 Jack 而尚未运行 Rose，或者刚开始运行 Rose 而尚未运行 Jack 时， open 函数会被阻塞，因为管道文件（包括 PIPE、FIFO、SOCKET）不可以在只有读端或者只有写端的情况下被打开
当 Jack 已经打开但还没写入数据之前，Rose 将在 read( )上阻塞睡眠，直到 Jack 写入数据完毕为止。因为缺省状态下是以阻塞方式读取数据的，可以使用 fcntl( )来使得 fifo 变成非阻塞模式
不仅打开管道会有可能发生阻塞，在对管道进行读写操作时也有可能发生阻塞

可以多个进程写入管道，由管道一一写到日志文件，例如日志文件

信号

唯一一种异步通信方式

信号是一种比较特别的 IPC，大部分的信号是异步的，换句话讲：一般情况下，进程什么时候会收到信号、收到什么信号是无法事先预料的（除了某几个特殊的信号之外），信号的到来就像你家门铃的响起一样，你不知道他什么时候会响

特征

前面 31 个信号都有一个特殊的名字，对应一个特殊的事件，比如 1 号信号 SIGHUP（Signal Hang UP），表示每当系统中的一个控制终端被关闭（即挂断，hang up）时，即会产生这个信号，有时会将他们称为非实时信号，这些信号都是从 Unix 系统继承下来的，他们还有个名称叫“不可靠信号”

非实时信号不排队，信号的响应会相互嵌套。
如果目标进程没有及时响应非实时信号，那么随后到达的该信号将会被丢弃。
每一个非实时信号都对应一个系统事件，当这个事件发生时，将产生这个信号。
如果进程的挂起信号中含有实时和非实时信号，那么进程优先响应实时信号并且会从大到小依此响应，而非实时信号没有固定的次序

后面的 31 个信号（从 SIGRTMIN[34] 到 SIGRTMAX[64]）是 Linux 系统新增的实时信号，也被称为“可靠信号”

实时信号的响应次序按接收顺序排队，不嵌套。
即使相同的实时信号被同时发送多次，也不会被丢弃，而会依次挨个响应。
实时信号没有特殊的系统事件与之对应

收到信号处理步骤

如果该信号被阻塞，那么将该信号挂起，不对其做任何处理，等到解除对其阻塞为止。否则进入 2
如果该信号被捕捉，那么进一步判断捕捉的类型
- 如果设置了响应函数，那么执行该响应函数
- 如果设置为忽略，那么直接丢弃该信号
- 否则进入 3
执行该信号的缺省动作

api

目标进程必须先使用 signal( )来为某个信号设置一个响应函数，或者设置忽略某个信号，才能改变信号的缺省行为，这个过程称为“信号的捕捉”。注意，对一个信号的“捕捉”可以重复进行，signal( )函数将会返回前一次设置的信号响应函数指针。对于所谓的信号响应函数的接口，规定必须是：void (*)(int);

如果一个进程临时不想响应某个或者某些信号，可以通过设置“阻塞掩码（block mask）”来达到此目的。在设置信号的阻塞掩码时，并不一定要挨个地设置，而是可以多个信号同时设置，这时就需要用到所谓的信号集

信号所携带的额外的数据是下面这个联合体

union sigval
{
    int sigval_int;
    void * sigval_prt;
}

利用 siqqueue( )发送信号的同时可以携带一个整型数据或者一个 void 型指针，目标进程要想获取这些额外的数据

act 参数比较复杂，其类型结构体 struct sigaction 的定义如下

struct sigaction
{
    void (*sa_handler)(int);//标准信号响应函数指针
    void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);//扩展信号响应函数指针
    sigset_t sa_mask;
    int sa_flags;
    void (*sa_restorer)(void);
};

例子1

信号的“发送”和“捕捉”——在命令行给一个指定的进程发送某些信号，观察设置信号响应的三种处理方式

1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <signal.h>
4
5 void f(int sig)
6 {
7     printf("catched a signal: %d\n", sig);
8 }
9
10 int main(int argc, char **argv)
11 {
12     signal(SIGHUP, SIG_IGN); // ① 设置 SIGHUP 响应动作为：忽略
13     signal(SIGINT, SIG_DFL); // ② 设置 SIGINT 响应动作为：缺省
14     signal(SIGQUIT, f); // ③ 设置 SIGQUIT 响应动作为：执行函数 f( )
15
16     printf("[%d]: I am waitting for some signal...\n", 17 getpid());
18     pause();// 暂停进程，静静等待信号的到来…
19
20     return 0;
21 }

例子2

信号的“阻塞”操作——子进程给父进程发送一个信号，父进程先阻塞该信号，随后解除阻塞的过程

1 #include <stdio.h>
2 #include <signal.h>
3
4 void sighandler(int sig)
5 {
6     printf("[%d]: catch %d.\n", getpid(), sig);
7 }
8
9 int main(int argc, char **argv)
10 {
11     pid_t x = fork();
12
13     if(x > 0) // 父进程
14     {
15         signal(SIGINT, sighandler); // 设置 SIGINT 的响应函数
16
17         sigset_t sigmask;
18         sigemptyset(&sigmask);
19         sigaddset(&sigmask, SIGINT); // 将 SIGINT 添加到信号集中
20
21         #ifdef TEST
22             printf("[%d]: block SIGINT...\n", getpid());
23             sigprocmask(SIG_BLOCK, &sigmask, NULL); // 设置阻塞
24         #endif
25         sleep(5); // 睡眠 5 秒，信号在此期间到来。
26         #ifdef TEST
27             printf("[%d]: unblock SIGINT...\n", getpid());
28             sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &sigmask, NULL); // 解除阻塞
29         #endif
30         wait(NULL); // 让子进程先退出，从而正确显示 Shell 命令提示
30     }
31
32     if(x == 0)
33     {
34         sleep(1); // 睡眠 1 秒钟，保证父进程做好准备工作
35         if(kill(getppid(), SIGINT) == 0) // 给父进程发送信号 SIGINT
36         {
37             printf("[%d]: SIGINT has been sended!\n", 38 getpid());
39         }
40     }
41
42     return 0;
43 }

例子3

“实时信号”和“非实时信号”的区别——进程 machine_gun 向 target “开火”：将所有信号（除了 SIGKILL 和 SIGSTOP）“同时”发送给 target，观察进程怎么处理这些信号。为了体现 target“同时”收到了这些信号，可以让其先对所有代码阻塞一段时间，等收完全部信号之后，再同时一并放开阻塞

target.c

1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <signal.h>
4
5 void sighandler(int sig)
6 {
7     fprintf(stderr, "catch %d.\n", sig);
8 }
9
10 int main(int argc, char **argv)
11 {
12     sigset_t sigs;
13     sigemptyset(&sigs);
14
15     int i;
16     for(i=SIGHUP; i<=SIGRTMAX; i++)
17     {
18         if(i == SIGKILL || i == SIGSTOP)
19             continue;
20
21         signal(i, sighandler); // 为信号 i 设置响应函数
22         sigaddset(&sigs, i); // 将信号 i 添加到信号集中
23     }
24
25     printf("[%d]: blocked signals for a while...\n", getpid());
26     sigprocmask(SIG_BLOCK, &sigs, NULL); // 阻塞所有信号
27     sleep(10);
28
29     printf("[%d]: unblocked signals.\n", getpid());
30     sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &sigs, NULL); // 放开所有阻塞
31
32     return 0;
33 }

machine_gun,c

1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <signal.h>
5
6 int main(int argc, char **argv)
7 {
8     if(argc != 2)
9     {
10         printf("Usage: %s <target-PID>\n", argv[0]);
11     }
12     int i;
13     for(i=SIGHUP; i<=SIGRTMAX; i++)
14     {
15         if(i == SIGKILL || i == SIGSTOP || // 不可捕捉的信号不发
16             i == 32 || i == 33) // 未定义的信号不发
17             continue;
18
19         kill(atoi(argv[1]), i); // 向指定进程发送信号 i
20     }
21
22     return 0;
23 }

输出结果中，省略的部分是严格从大到小的实时信号，可见如果一个进程如果同时收到多个实时信号时，他们的响应次序是按照信号值由大到小排队的。下半部分从 1 到 31 的信号值是无序的，说明非实时信号的响应是不排队的，还注意到 target 没有打印 18 号信号！说明非实时信号是不可靠的，在传递的过程中有可能被丢弃

例子4

进程间如何使用“扩展信号响应函数”来通信——信号发送者携带额外的数据，目标进程获取这些数据

1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <strings.h>
4 #include <unistd.h>
5 #include <signal.h>
6
7 void sighandler(int sig, siginfo_t *sinfo, void *p)
8 {
9     printf("catch %d.\n", sig);
10
11     if(sinfo->si_code == SI_QUEUE) //判断信号是否由 sigqueue 发送
12     {
13         printf("%d\n", sinfo->si_int);
14     }
15 }
17 int main(int argc, char **argv)
18 {
19     pid_t x = fork();
20
21     if(x > 0)
22     {
23         struct sigaction act;
24         bzero(&act, sizeof(act));
25         act.sa_sigaction = sighandler;
26         act.sa_flags |= SA_SIGINFO; // 该选项确保使用扩展响应函数
27         sigaction(SIGINT, &act, NULL); // 捕捉 SIGINT
28
29         pause(); // 坐等信号的到来……
30     }
31
32     if(x == 0)
33     {
34         sleep(1);
35
36         union sigval data;
37         data.sival_int = 100; // 额外数据
38         sigqueue(getppid(), SIGINT, data); // 给父进程发 SIGINT
39     }
40
41     return 0;
42 }

信号相关的内核数据结构

每一个线程都使用一个 PCB（即 task_struct）来表示，因此 pending（不是指针）就是一个线程单独私有的，当我们使用 pthread_kill( )给一个指定的线程发送某信号时，这些信号将会被存储在这个链队列中
signal 是一个指向线程共享的信号挂起队列相关结构体的指针，实际上，一个线程组（即一个进程）中的所有线程中的signal指针都指向同一个结构体，当我们使用诸如kill( ) 来给一个进程发送某信号的时候，这些信号将会被存储在 shared_pending 这个线程共享的链队列中
- 如果一个进程中有超过 1 条线程，那么这些共享的挂起信号将会被随机的某条线程响应，为了能确保让一个指定的线程响应来自进程之外的、发送给整个进程的某信号，一般的做法如下
- 除了指定要响应某信号的线程外，其他线程对这些信号设置阻塞。即使用 sigprocmask( )或者 pthread_sigmask( )将这些需要阻塞的信号添加到信号阻塞掩码 blocked 当中。
sighand 也是一个指针，因此也是进程中的所有线程共享的，他指向跟信号响应函数相关的数据结构，结构体 struct sighand_struct{}中的数组 action 有 64 个元素，一一对应 Linux 系统支持的 64 个信号（其中 0 号信号是测试用的，32 号和 33 号信号保留），每一个元素是一个 sigaction{}结构体，其成员就是标准 C 库函数 sigaction( )中的第二个参数的成员，可见，该函数相当于是一个应用层给内核设置信号响应策略的窗口