系统编程-02进程间通信

1、管道

2、消息队列

（1）ftock()--创建IPC的键值KEY

（2）获取消息队列ID

（3）发送和接收消息

（4）设置或者获取消息队列的相关属性

3、共享内存

（1）获取共享文件得ID--shmget()

（2）对共享内存进行映射--shmat()或解除映射--shmdt()

（3）获取或设置共享内存的相关属性

4、信号量

（1）概念引入

（2）信号量的创建-semget()

（3）获取或设置信号量的属性

（4）信号量的P/V操作

5、守护进程

（1）查看系统常见的系统守护进程

（2）脏页面

（3）守护进程的特点

（4）Linux守护进程在操作系统中扮演着重要的角色，其存在的主要有以下几个意义

（5）守护进程的启动方法

（6）创建守护进程的标准思路

（7）初始化一个守护进程

进程的通信方式一共有6种，分别是：管道、信号、消息队列、共享内存、信号量组和套接字。其中前五种属于单个主机内进程之间的通信方式；套接字属于多个主机之间的进程之间的通信。

1、管道

读者：持有文件可读权限的描述符的进程
写者：持有文件可写权限的描述符的进程

2、消息队列

system-V IPC包含消息队列、共享内存、信号量组，称为系统5，它们都需要一个键值key来唯一标识，它们被创建之后，不会因为进程的退出而消失，除非调用特殊函数或命令删除。

IPC相关命令：

(1)查看消息队列：ipcs -q key或ID
(2)查看共享内存：ipcs -m key或ID
(3)查看信号量组：ipcs -s key或ID
(4)查看所有IPC对象：ipcs -a
(5)删除指定的消息队列:ipcrm -q MSG_ID或ipcrm -Q msg_key
(6)删除指定的共享内存:ipcrm -m SHM_ID或ipcrm -M shm_key
(7)删除指定的信号量组:ipcrm -s SEM_ID或ipcrm -S sem_key

（1）ftock()--创建IPC的键值KEY

pathname可以是具体的文件（磁盘），也可以是指定的路径（内存）
- pathnaem指定路径：设置IPC通信内存资源位置
- pathname指定文件：设置IPC通信内存（闪存）资源的位置，稳定性没有指定路径强
ftok()创建的key值受两个形参的影响，可以通过改变proj_id来创建不同的key值
如果key值不同则创建的消息队列不同，将导致进程间无法通信
如果key值相同则创建的消息队列相同，确保两个进程使用同一个消息队列，才可以实现通信。
Linux的ftock()函数可以生成2^32个不同的key值，创建大概40亿个不同的key值。
ftock()生成的键值是一个32位整数，它将文件名的设备号、文件的inode号以及项目表示符组合起来生成一个唯一的key值。

（2）获取消息队列ID

消息队列只有读写权限，没有执行权限

777： 1 1 0--> 读写执行

对创建者拥有的权限：第一个7
对同组用户的权限：第二个7
对不同组用户的权限：第三个7
进程A想要与进程B想要通过消息队列进行通信，一定要使用相同的消息队列
相同的消息队列：相同的消息队列ID、相同的键值KEY，相同的IPC路径和IPC标识
程序退出时，创建的IPC依然存在，不会释放内存资源

（3）发送和接收消息

发送者：

- - 获取消息队列的ID
  - 将数据放入一个附有标识的特殊的结构体，发送给消息队列

接收者：

- - 获取消息队列的ID
  - 将指定标识的消息读出。

当发送者与接收者都不再使用消息队列时，及时删除它以释放系统资源

msgflag设置为0，采用默认模式
系统提供模板结构体，用于存放发送的消息以及规定消息通信的格式
在System-V IPC中，mtype的取值范围是从1~LONG_MAX（即2147483647），这是因为被定义为long int类型，其最大值由LONG_MAX定义。在实际使用中，mtype可以取的最大值是2147483647，即约21亿。
发送消息：将自己的消息标识直接赋值到模板结构体的mtype
接收消息：把自己要的消息标识设置填到msgrcv的第4个参数

（1）发送和接收消息时，消息需要被组织成以下形式： struct msgbuf { long mytype; //消息的标识,用来区分不同类型的消息，占据消息的头部 char mtext[1]; //消息的正文 //下面可以自己定义要发送的成员的数据变量 int age[10]; int sex[10]; }

（2）消息的标识可以是任意长整型数值，但不能是0L

（3）参数msgsz是消息种正文的大小，不包含消息的标识

（4）设置或者获取消息队列的相关属性

删除消息队列的调用如下： if(msgctl(msg_id,IPC_RMID,NULL)==-1) { perror("msgctl failed"); return -1; }

总结：消息队列是管道的进阶版本，与管道不同的是，可以通过键值key将信息发送给指定的进程

消息队列的特点：因为消息队列中有消息标识用来区分发送和接收消息，所以支持“多”对“多”

3、共享内存

通信效率最高的IPC，直接裸露一块内存空间进行数据传输，常用于上传和下载大数据。共享内存不可以单独使用，而是需要配合信号量、互斥锁等协调机制，使得同意快物理内存多次映射到不同得进程虚拟空间之中，相当于多个进程得虚拟内存空间部分重叠在一起。

查看系统页存储大小的命令 getconf PAGESIZE 注意：共享内存的大小如果不是页的倍数，也会无法设置进去

使用共享内存得一般步骤：

获取共享内存对象得ID
将共享内存映射到本进程虚拟内存空间的某个区域
当不再使用时，解除映射关系
当没有进程再需要这块共享内存时，删除它

（1）获取共享文件得ID--shmget()

大页面：指内核为了提高程序性能，对内存实行分页管理时，采用比默认尺寸（4KB）更大的分页，来减少缺页中断。Linux内核支持以2MB位物理页面的基本单位。

（2）对共享内存进行映射--shmat()或解除映射--shmdt()

注意：

共享内存只能以只读或只写方式进行映射，无法以只写方式映射
第二个参数shmaddr一般为NULL，让系统自动寻找合适的地址。
解除映射之后，进程不能再允许访问SHM
共享内存是IPC中效率最高的机制。保护性不高
开发中，用设置共享内存大小是PAGESIZE的倍数，但是，如果第一次设置小于或者大于PAGESIZE也可以正常设置
共享内存设置大小是在第一次（创建的那一次）就确定了，第二次调用函数中的第二个参数比第一次的小，默认使用第一次的大小空间，第二次比第一次大，获取ID失败

（3）获取或设置共享内存的相关属性

4、信号量

信号量与信号集不一样，起到一个同步互斥的作用（修改数据的时候要互斥，读取数据的时候可以同步）

（1）概念引入

资源监视器+数据操作控制器（获取资源数据值），资源控制器。

资源：有限的，不够让进程进入睡眠状态，需要我们初始化资源的值。

共享资源：多个进程或线程有可能同时访问的资源（变量、链表、文件等）称为共享资源，也叫做临界资源。

临界区：访问共享资源的代码称为临界代码，这些代码区域被称为临界区。

P操作：程序进入临界区之前必须对资源进行申请，这个动作称为P操作。

V操作：程序离开临界区之后必须释放相应资源，这个动作称为V操作。

Linux中用到的信号量有三种：ststem-V信号量、POSIX有名信号量和POSIX无名信号量。用来表征一种资源的数量，当多个进程或者线程争夺这些稀缺资源的时候，信号量用来保证它们合理的、秩序的使用这些资源，而不陷入逻辑谬误中。

（2）信号量的创建-semget()

信号量用来监视资源：元素就是资源的种类。

（3）获取或设置信号量的属性

1、元素资源值设置： union semun { int val; struct semid_ds *buf; unsigned short *array; struct seminfo *__buf; }; 步骤： (1)union semun xxx; (2)xxx.val=你要设置的元素值 (3)semctl(sem_id,o,SETVAL,xxx); //0：车 1：车位 (4)数组存放资源值 xxx[2] (5)xxx[0] = 0 : 车 (6)xxx[1] = 3 :车位 2、元素资源值获取保存获取到的元素值 = semctl(sem_id,0,GETVAL); 数组存放资源值 xxx[2] xxx[0] : 0 :车 xxx[1] : 3 :车位

创建信号量还受到以下系统信息的影响：

SEMMNI：系统中信号量的总数最大值
SEMMSL：每个信号量中信号量元素的个数最大值
SEMMNS：系统所有信号量中的信号量元素的总数最大值
在Linux中，以上信息在/proc/sys/kernel/sem可以查看

（4）信号量的P/V操作

5、守护进程

（1）查看系统常见的系统守护进程

使用命令【ps -ef】可以查看系统的守护进程

系统守护进程常见的执行任务：

kswapd:内存换页守护进程。支持虚拟内存子系统在一段时间后把“脏页面”慢慢的回写磁盘来回收这些页面的内存资源
flush操作：在可用内存达到设置的最小阈值时将脏页面写入磁盘
jdb（内核模块）:帮助实现ext4文件系统中的日志功能

（2）脏页面

（3）守护进程的特点

所有守护进程都没有控制终端，其终端名字被设置成问号（即tty那一列显示？）用户层守护进程缺少控制终端可能是守护进程调用了setsid造成的。setid当守护进程脱离当前登录会话，由于会话和控制终端具有独占性所以控制终端也脱离了。因为调用了setid，大多数用户层守护进程都是进程组组长以及会话的首进程。注意用户层守护进程的父进程是init进程。

（4）Linux守护进程在操作系统中扮演着重要的角色，其存在的主要有以下几个意义

服务持久性：守护进程通常是为了提供长期运行的服务而设计的，它们能够在系统启动时自动启动，并持续运行在后台，直到系统关闭或显式停止。
资源管理：守护进程可以管理系统资源的分配和使用，例如网络服务、数据库服务等。它们通常设计为高效利用系统资源，以提供稳定和持续的服务。
任务调度：某些守护进程可能会负责定期执行特定的任务或作业，例如定时备份、日志清理等，这有助于自动化和简化系统管理。
响应用户请求：守护进程可以响应用户请求，例如Web服务器可以处理来自客户端的HTTP请求，数据库服务可以处理查询请求等，从而使得多个用户可以同时访问和利用系统资源。
提高系统安全性：通过守护进程，系统管理员可以限制和控制用户对系统的访问和操作，实现更高级别的安全性措施，例如访问控制、身份验证等。
日志记录与故障排除：守护进程通常会生成详细的日志记录，用于追踪系统运行状况和故障排除。这些日志对于分析和解决问题非常有帮助。
系统性能优化：合理设计的守护进程可以通过优化资源使用和处理效率，帮助提升系统整体性能，确保系统在高负载和长时间运行时仍然稳定和可靠。

总的来说，Linux守护进程是支持系统长期运行和提供服务的关键组成部分，它们通过后台运行、资源管理、任务调度和响应用户请求等功能，有效地增强了系统的功能性、安全性和稳定性。