通过管道和共享存储映射实现进程通信

1.IPC方法

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。

父子进程间只有PCB是处在同一块物理内存，但虚拟内存上的用户空间却不是对应同一块物理内存，各自有各自的

在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

① 管道 (使用最简单)

② 信号 (开销最小)

③ 共享映射区 (无血缘关系)

④ 本地套接字 (最稳定)

2.管道

2.1 管道的概念

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

像创建的文件、目录、软链接这些都是文件，是真正存在硬盘当中的；而像字符设备、管道、套接字、块设备这些是伪文件，不是真正文件，并不占用磁盘的物理空间，真正占用的是内存（缓冲区）

2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

管道的局限性：

数据不能进程自己写，自己读。
管道中数据不可反复读取。一旦读走，管道中不再存在。
由于是借助环形队列机制，因此不像正常的缓冲区那样可以反复读
采用半双工通信方式，数据只能在单方向上流动。
只能在有公共祖先的进程间使用管道。

常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信

2.2 pipe函数

创建并且打开管道
    int pipe(int pipefd[2]);
    成功：0；失败：-1，设置errno
函数调用成功返回r/w两个文件描述符。
无需open，但需手动close。
规定：
pipefd[0] → r； 
pipefd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。
向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。（父子进程PCB映射在同一块物理内存上）
父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

练习：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并，打印到屏幕。【pipe.c】

思考：为甚么，程序中没有使用sleep函数，但依然能保证子进程运行时一定会读到数据呢？

2.3 管道的读写行为

使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。
如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。
如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。
如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结：

读管道：

管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
管道中无数据：
管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)
写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

写管道：

管道读端全部被关闭，进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
管道读端没有全部关闭：
管道已满，write阻塞。
管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

练习：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l。假定父进程实现ls，子进程实现wc。(pipe，dup2，execlp)

ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；wc –l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。

程序执行，发现程序执行结束，shell还在阻塞等待用户输入。这是因为，shell → fork → ./pipe1，程序pipe1的子进程将stdin重定向给管道，父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收，shell就会先输出$提示符。---- 要么关闭写端，然后读端自动关闭；要么直接关闭读端使子进程顺利被回收，写端自动关闭

但这里父进程先执行写入资源，子进程一直阻塞等待资源无法被父进程回收，使得父进程无法被隐式回收关闭到写端（子进程先回收后父进程回收）；父进程中也没法去关闭写端使得子进程的读端自动结束，因为执行execlp代码全被替换了，在execlp后加上close(fd[1])也没用，执行不到，同理子进程也因为execlp无法去添加close(fd[0])来解决子进程阻塞等待

可以将父子进程的工作调换一下，让父进程作为读端先去执行，子进程作为写端后执行。读端打开等待读取资源 --- > 写端打开后输入资源自动关闭，子进程被系统回收 ---> 父进程输出结果，检测到写端全部关闭使读端返回0自动关闭

练习：使用管道实现兄弟进程间通信。兄：ls 弟： wc -l 父：等待回收子进程。

要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。注意管道读写行为。

测试：是否允许，一个pipe有一个写端，多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？

2.4 管道缓冲区大小

可以使用 ulimit –a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。通常为：

pipe size (512 bytes, -p) 8

也可以使用fpathconf函数，借助参数选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>

long fpathconf(int fd, int name);
成功：返回管道的大小失败：-1，设置errno

2.5 管道的优劣

优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。

缺点：1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。

2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。

3.FIFO

FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但，FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。用户空间 --- 系统调用进入内核 --- FIFO文件桥梁，数据交换

创建方式：

1. 命令：mkfifo 管道名

2. 库函数：

int mkfifo(const char *pathname,  mode_t mode); 
成功：0； 失败：-1

一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

4.共享存储映射

4.1 文件进程间通信

使用文件也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符(共享PCB和MMU映射区 -- MMU映射区包含PCB，PCB中包含文件描述符表)。也就共享打开的文件。

练习：编程测试，父子进程共享打开的文件。借助文件进行进程间通信。【fork_shared_fd.c】

更改：

这里还会读到长度么？？

并不会，注意是管道、套接字、设备文件这些才有读写行为，这里打开是普通文件，read打开后是并不阻塞等待wirte输入东西后将其读走的，因此并没有读到东西，buf的长度是为0

思考，无血缘关系的进程可以打开同一个文件进行通信吗？为什么？

可以，打开同一个文件的话，获取的文件描述符是相同的，在内核的缓冲区是同一块的。

4.2 存储映射I/O

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

如果是在磁盘只能通过open来wirte和read来操作数据，但是如果映射到内存上，就可以用指针等来进行操作，通过修改内存来改变磁盘文件

mmap函数

创建共享内存映射区
void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 
返回：成功：返回创建的映射区首地址；失败：MAP_FAILED宏
参数：
addr: 建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL
length：欲创建映射区的大小
prot：映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
flags：标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)
        标志共享内存的共享属性
MAP_SHARED:  会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。
MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。
fd： 用来建立映射区的文件描述符（对应在磁盘上的那个文件，该文件需要有实际大小，用于实现映射）
offset：映射文件的偏移(4k == 4096Byte的整数倍)；默认0，表示映射文件全部

ftruncate实现文件大小扩展（里面的数据是文件空洞，打开的文件需要有写的权限，不然无法扩展），利用lseek获取文件扩展后的大小，mmap后利用p写入数据，输入多少就替换掉多少文件空洞，因此文件扩展的大小一定要足够，欲建立的映射区的大小length不能超过文件fd的扩展的大小

munmap函数

同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。
int munmap(void *addr, size_t length);
成功：0； 失败：-1
addr：mmap的返回值
lenght：大小

借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？

4.3 mmap注意事项

思考：

1. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?

2. 如果open时O_RDONLY，mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？

3. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？

4. 如果文件偏移量为1000会怎样？

5. 对mem越界操作会怎样？

6. 如果mem++，munmap可否成功？

7. mmap什么情况下会调用失败？

8. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？

1. 特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。如，400字节大小的文件，在建立映射区时offset 4096字节，则会报出总线错误。

用于创建映射区的文件大小为 0，实际指定非0大小创建映射区，出“总线错误”
用于创建映射区的文件大小为 0，实际制定0大小创建映射区，出“无效参数”。

2. 用于创建映射区的文件(open)读写属性为只读，映射区(mmap)属性为读、写，出现“无效参数”。文件的打开必须要有读，因为创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。权限：mmap <= open（至少要有读且标志位参数为MAP_SHARED）

读（文件） -- 读（映射）：只进行读操作，进行写会出现段错误
读写 -- 读、读写、写
写 -- 写：无效参数，无法隐式读下文件

3. 文件描述符fd，在mmap创建映射区完成后即可关闭，后续访问文件，用映射区的地址访问即可

4. offset必须是4096(Byte == 4k)的整数倍，否则会出现无效参数的错误。（MMU映射的最小单位是4K，创建映射区就是MMU在做的）

5. 如果对mem越界操作，如果映射区内存空间富裕的话可以不会出错，如果空间没那么多就会出现段错误（核心存储已满），使用的内存不是你当初申请的那块映射的内存，最好不要越界访问

6. munmap释放的地址必须是mmap申请返回的地址。mmap后得到的指针p不能进程自增或自减操作，不然munmap在释放p的时候会报错：无效参数。p+1可以当不能p++或是p = p + 10之类的操作，不能改变本身

7. mmap调用失败主要是参数，像欲建立的映射区大小length大于文件的大小、映射区的权限prot和文件权限不符、标志共享内存的共享属性flags、文件描述符fd错误、映射文件的偏移量offset不是4k的整数倍

8. mmap的返回值必须检查，由于mmap函数的参数很多，只要一个参数出错mmap就会调用失败，mmap函数返回值是检查是否调用成功的重要一步

9. 映射区标志参数flags，如果为私有MAP_PRIVATE，对内存所做的所有修改，只在内存有效，不反应到物理磁盘上

因此这里基础文件打开即使没有写的权限，而映射区有写和读的权限，mmap权限比文件权限大，执行后也不会报错，因为映射区标志位参数为私有，即使对内存写也不会写入到文件

4.4 mmap父子进程通信

父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区
MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区

练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，而后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。【fork_mmap.c】

结论：父子进程共享：1. 打开的文件 2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)

4.5 匿名映射

通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。

使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)， 如: 
int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0); 
"4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。

需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。

① fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
② p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);

4.6 mmap无血缘关系进程间通信

实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。

值得注意的是：MAP_ANON和 /dev/zero 都不能应用于非血缘关系进程间通信。只能用于亲子进程间。