1.进程间通信基础

为什么需要进程间通信？

进程是一个独立的资源分配单元，不同的进程之间资源是独立的。没有关联，不能在一个进程中直接访问另一个进程的资源。

但是进程不是孤立的，不同的进程需要进行信息交互和状态的传递，因此需要进程间通信。

进程间通信简称IPC（Interprocess communication），进程间通信就是在不同进程之间传播或交换信息。

进程间通信的目的:

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程

• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源

• 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。

• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行(如Debug进程)，此时控制进程

  希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

进程间通信的本质：

进程间通信的本质是：让不同的进程看到同一份资源

各个进程之间若想实现通信，需要借助第三方资源。

这些进程就可以通过向这个第三方资源写入或是读取数据，进而实现进程之间的通信，这个第三方资源实际上就是操作系统提供的一段内存区域。

进程间通信的分类

2.管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式 。我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”

2.1匿名管道

匿名管道用于有血缘关系的进程间通信。

2.1.1匿名管道的原理

• 子进程在创建时，会拷贝父进程的task_struct，如果父进程打开了文件，那么子进程也能够访问父进程打开的文件【子进程拷贝父进程的files_struct】
• struct file对应的是被打开的文件，struct inode对应的是磁盘文件。因此每一个struct file内部都有一个struct inode的指针用于找到对应的磁盘文件。

• 这里父子进程看到的同一份文件资源是由操作系统来维护的，所以当父子进程对该文件进行写入操作时，该文件缓冲区当中的数据并不会进行写时拷贝。
• 管道采用的是文件做为第三方资源；但是对于匿名管道，操作系统不会将进程间通信的数据刷新到磁盘中。因为子进程通过拷贝父进程的task_struct，可以访问父进程的文件；刷新到磁盘中，这样IO的效率会降低。也说明了，磁盘文件和内存文件不一定是一一对应的，有些文件只存在于内存中，而不会存在磁盘中。(比如这里的匿名管道)

操作系统如何判断一个文件是什么类型？

在struct inode内部有一个联合体，操作系统通过联合体判断文件的类型

union{
    struct pipe_inode_info* i_pipe;	//表示为管道文件
    struct block_device* ibdev;
    struct cdev* idev;
}
而在struct pipe_inode_info结构体中，有一个pipe_buffer的缓冲区
通过匿名管道进行进程间通信的数据，就存放在pipe_buffer缓冲区中。

2.2匿名管道的特点

• 半双工：数据只能从管道的一段写入，从另一端读出。数据在同一时刻只能有一个流向。
• 匿名管道不是普通文件，不属于某个文件系统，其只存在于内存中。

2.3匿名管道函数

#include <unistd.h>
#define _GNU_SOURCE             
#include <fcntl.h>  
int pipe(int pipefd[2]);            
int pipe2(int pipefd[2], int flags);

参数：
	pipefd[2],两个文件描述符 pipefd[0]代表读的文件描述符，pipefd[1]代表写的文件描述符
返回值：成功返回0，失败-1

底层：
    pipe的底层调用了两次open函数，并将open返回的文件描述符写入到pipefd[2]数组中。

管道的创建过程

为什么父进程在创建子进程之前需要打开文件的读写端？

子进程是拷贝父进程发files_struc，父进程找到对应的文件描述符，子进程才能继承父进程的文件描述符。

为什么父子进程要关闭对应的读写？

操作系统的底层决定了，管道必须是单向通信。

2.3.1用例

实现子进程读取管道，父进程写入管道。

int main(){
    int pipefd[2]={0};
    if(pipe(pipefd)!=0){
        cerr<<"pipe error"<<endl;
    }
    int pid=fork();
    if(pid<0){
        cerr<<"for error"<<endl;
    }
    else if(pid==0){//child
        close(pipefd[1]);//关闭子进程的写文件
        #define NUM 1024
        char buf[NUM];
        while (1)
        {
            memset(buf,0,sizeof(buf));
            sleep(5);
            ssize_t s=read(pipefd[0],buf,sizeof(buf)-1);
            if(s>0){
                buf[s]='\0';
                cout<<"子进程接收到父进程的消息，内容是："<<buf<<endl;
            }
            else if(s==0){
                cout<<"父进程没有再写入，读取完成"<<endl;
                break;
            }
            else{
                //什么事都不做，等待有数据输入
            }
        }
        close(pipefd[0]);
        exit(0);
    }
    else{//parent
        close(pipefd[0]);   //关闭父进程的读文件描述符
        const char* msg="父进程发送消息，信息编号为：";
        int cnt=1;
        while(1){
            char sendbuff[1024];
            sprintf(sendbuff,"%s %d",msg,cnt);
            cnt++;
            sleep(2);
            write(pipefd[1],sendbuff,strlen(sendbuff));
        }
        close(pipefd[1]);
        cout<<"父进程写入完毕："<<endl;
        //回收子进程
        pid_t res=waitpid(pid,nullptr,0);
        if(res>0){
            cout<<"等待子进程成功"<<endl;
        }
    }
    cout<<"fd[0]:"<<pipefd[0]<<endl;
    cout<<"fd[1]:"<<pipefd[1]<<endl;
    return 0;
}

可以看到，子进程永远也不会退出。为什么？

read和write都是阻塞等待。

• 管道内部，没有数据，read就必须阻塞等待，等待有数据写入管道。
• 管道内部，如果数据写满了，write就必须阻塞等待，等待有数据被读走。

2.3.2实现ps -ajx | grep bash指令

子进程实现ps -ajx指令，父进程实现grep bash指令

int main(){
    int pipefd[2]={0};
    if(pipe(pipefd)!=0){
        cerr<<"pipe error"<<endl;
    }
    //创建子进程
    int pid=fork();
    if(pid<0){
        cerr<<"for error"<<endl;
    }
    if(pid==0){
        //关闭读端,子进程执行ps -ajx
        close(pipefd[0]);
        dup2(pipefd[1],STDOUT_FILENO);
        execlp("ps","ps","ajx",NULL);
    }
    else{
        //关闭写端
        close(pipefd[1]);
        dup2(pipefd[0],STDIN_FILENO);
        execlp("grep","grep","bash",NULL);
    }
    return 0;
}

2.4匿名管道的特点

1.匿名管道只能用于进行具有血缘关系的进程间通信，常用于父子进程通信。

2.管道只能单向通信(半双工通信)

3.管道自带同步和互斥机制

• **同步：**两个或两个以上的进程在运行过程中协同步调，按预定先后次序运行。比如A进程运行依赖B进程产生的数据
• **互斥：**一个公共资源同一时刻只能被一个进程使用，多个进程不能同时使用公共资源

4.管道是面向字节流

对于进程A写入管道当中的数据，进程B每次从管道读取的数据的多少是任意的，这种被称为流式服务，与之相对应的是数据报服务：

• 流式服务：先写的字符，一定是先被读取的。没有格式边界，需要用户来区分边界和数据格式。
• 数据报服务：数据有明确的分割，拿数据按报文段拿

2.5管道的大小

可以使用ulimit -a命令查看系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。

Linux下创建的管道大小可以通过下面的程序进行测试：

读端一直不读，写端一直写；当管道满了，写端就被挂起。打印写端写入的数据量。

int main(){
    int fd[2]={0};
    pipe(fd);
    pid_t pid=fork();
    if(pid==0){
        close(fd[0]);//关闭读端
        int cnt=0;
        char a='a';
        while(1){
            write(fd[1],&a,1);
            cnt++;
            printf("cnt:%d\n",cnt);
        }
    }
    waitpid(pid,NULL,0);
    return 0;
}

2.6管道的生命周期

管道是文件。进程推出，被该进程打开的文件对应的计数器-1，如果计数器为0，那么文件关闭。对于管道而言，通信的两个进程都退出，那么管道被关闭。

2.7进程池

主进程向每个子进程发送任务，主进程关闭每个pipe的读端，记录每个pipe的写端。

子进程收到主进程发送的指令后，执行发送的任务。

#define PROCESSNUM 10
typedef void(*functor)();
typedef pair<int32_t,int32_t>elem;
unordered_map<int32_t,string> info;
vector<functor>functors;    //保存函数指针


void f1()
{
    cout << "这是一个处理日志的任务, 执行的进程 ID [" << getpid() << "]"
         << "执行时间是[" << time(nullptr) << "]\n" << endl;
}
void f2()
{
    cout << "这是一个备份数据任务, 执行的进程 ID [" << getpid() << "]"
         << "执行时间是[" << time(nullptr) << "]\n" << endl;
}
void f3()
{
    cout << "这是一个处理网络连接的任务, 执行的进程 ID [" << getpid() << "]"
         << "执行时间是[" << time(nullptr) << "]\n" << endl;
}
void londfunctor(){
    info[functors.size()]="处理日志的任务";
    functors.push_back(f1);
    info[functors.size()]="备份数据任务";
    functors.push_back(f2);
    info[functors.size()]="处理网络连接的任务";
    functors.push_back(f3);
}

void work(int fd){
    cout<<"进程:["<<getpid()<<"]开始工作"<<endl;
    while(1){
        int32_t task=0;
        ssize_t s=read(fd,&task,sizeof(int32_t));
        if(s==0){   //如果读取完成
            break;
        }
        assert(s==sizeof(int32_t));
        //执行任务
        if(task<functors.size())
        {
            functors[task]();
            sleep(1);
        }
    }
    cout<<"进程:["<<getpid()<<"]开始结束"<<endl;
}
void blancesendtask(const vector<elem>&assmap){   //派发方式是负载均衡的
    srand((long long)time(nullptr));    //生成随机数种子
    while(1){   //派发什么任务，向谁派发。
        int32_t pick=rand()%assmap.size();
        int32_t task=rand()%functors.size();
        //指派任务,写入一个地址
        write(assmap[pick].second,&task,sizeof(int32_t));
        cout<<"父进程给子进程:"<<"["<<assmap[pick].first<<"]"<<"派发任务:"<<task<<endl;
    }
}
int main(){
    vector<elem> assmmap;
    londfunctor();//加载任务
    //创建进程
    for(int i=0;i<PROCESSNUM;i++){
        int pipefd[2]={0};
        if(pipe(pipefd)!=0){
            cerr<<"pipe error"<<endl;
        }
        //创建子进程
        int pid=fork();
        if(pid<0){
            cerr<<"fork error"<<endl;
        }
        //子进程的工作是，完成父进程派发的任务。
        if(pid==0){
            close(pipefd[1]);   //关闭子进程的写端
            work(pipefd[0]);//子进程读取管道，从而执行自己的任务。
            close(pipefd[0]);
            exit(0);
        }
        else{//父进程，负责收集子进程的信息和派发任务
            close(pipefd[0]);   //关闭父进程的读端
            elem e(pid,pipefd[1]);
            assmmap.push_back(e);
        }
    }
    cout<<"all process create successfully"<<endl;
    //收集好信息后，父进程给子进程派发任务
    blancesendtask(assmmap);

    //回收子进程
    for(int i=0;i<PROCESSNUM;i++){
        int res=waitpid(assmmap[i].first,NULL,0);
        if(res>0){
            cout<<"等待子进程"<<assmmap[i].first<<"成功!"<<endl;
        }
        close(assmmap[i].second);
    }
    return 0;
}

3.命名管道FIFO

• 管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。
• 如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作，它经常被称为命名管道。
• 命名管道是一种特殊类型的文件

注意：

• 命名管道和匿名管道一样，都是内存文件，只不过命名管道在磁盘有一个简单的映像，但这个映像的大小永远为0，因为命名管道和匿名管道都不会将通信数据刷新到磁盘当中。
• 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的一条通道。属于管道伪文件。

3.1命名管道的接口

创建方式

创建方式有两种：

​ 第一种是bash命令 mkfifo 管道名字

​ 第二种是使用库函数。：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

​ pathname表示管道名，mode是管道权限

$ mkfifo myfifo
$ ls -lrt

int mkfifo(const char *pathname,  mode_t mode); 

3.2命名管道和匿名管道的区别

• 匿名管道由pipe函数创建并打开。
• 命名管道由mkfifo函数创建，打开用open
• FIFO（命名管道）与pipe（匿名管道）之间唯一的区别在它们创建与打开的方式相同，一但这些工作完成之后，它们具有相同的语义。

3.3用FIFO实现server&cilent间通信

实现服务端和客户端之间的通信。让服务端先运行，创建服务端和客户端通信之间通信的管道。

客户端以写的方式打开管道向管道中写入数据；服务端以读的方式打开管道，读取客户端发送的信息。

server.cpp

#include "comm.h"
#define NUM 1024
using namespace std;

int main()
{
    umask(0);
    if(mkfifo(IPC_PATH, 0600) != 0){
        cerr << "mkfifo error" << endl;
        return 1;
    }
    int pipefd = open(IPC_PATH, O_RDONLY);
    if(pipefd < 0){
        cerr << "open fifo error" << endl;
        return 2;
    }
    //正常的通信过程
    char buffer[NUM];
    while(true){
        ssize_t s = read(pipefd, buffer, sizeof(buffer)-1);
        if(s > 0){
            buffer[s] = '\0';
            cout << "客户端->服务器# " << buffer << endl;
        }
        else if(s == 0){
            cout << "客户退出啦，我也退出把";
            break;
        }
        else{
            //do nothing
            cout << "read: " << strerror(errno) << endl;
            break;
        }
    }
    close(pipefd);
    cout << "服务端退出啦" << endl;
    unlink(IPC_PATH);
    return 0;
}

client.cpp

#include"comm.h"
using namespace std;

int main(){
    int pipefd=open(IPC_PATH,O_WRONLY);
    if(pipefd<0){
        cerr<<"open:"<<strerror(errno)<<endl;
        return 1;
    }
#define NUM 1024
    char line[NUM];
    while(1){
        cout<<"请输入需要发送的消息:";
        fflush(stdout);
        memset(line,0,sizeof(line));
        if(fgets(line,sizeof(line),stdin)!=nullptr){    //从键盘中获取数据，在输入时，我们会输入一个\n
            line[strlen(line)-1]='\0';
            write(pipefd,line,strlen(line));
        }
        else{
            break;
        }
    }
    close(pipefd);
    cout<<"客户端退出："<<endl;
    return 0;
}

client.cpp中需要注意两点：

• fgets在结尾会自动添加上\0
• 在从键盘输入时，回车键也被读取到fgets中

comm.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <string>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define IPC_PATH "./myfifo"

4.System V进程间通信

管道通信本质是基于文件的，也就是说操作系统并没有为此做过多的设计工作，而system V IPC是操作系统特地设计的一种通信方式。

System V IPC提供的通信方式有以下三种

• System V共享内存
• System V消息队列
• System V信号量

System V中的共享内存和消息队列的作用是传输数据，而信号量是为了保证进程间通信的同步和互斥而设计。

5.System V共享内存

5.1共享内存的原理

进程间通信的本质是：让不同的进程看到同一份资源。

而共享内存的方式：和动态库加载到不同进程一样。**共享内存在物理内存中申请一块空间，通过不同进程的页表，映射到不同进程的共享区，这些进程就可以通过共享区的进程地址空间，访问到同一块物理内存。**达到进程间通信的目的。

• 共享内存的创建和删除-------> OS完成
• 共享内存的关联---------------> 进程完成

5.2共享内存接口

5.2.1创建共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数说明：

• key：待创建共享内存在内核中的唯一标识，该值由用户提供
• size：共享内存大小，为页(4096)的整数倍
• shmlg：由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的

shmlg	含义
IPC_CREAT	共享内存不存在时，创建共享内存
IPC_EXCL	共享内存存在时，报错。不单独使用，必须和IPC_CREAT配合使用。IPC_CREAT | IPC_EXCL：可以保证如果shmget调用成功，一定会得到一个全新的共享内存，否则就会出错返回。

返回值：

• 成功：返回一个非负整数shmid，为该共享内存段的用户层面的唯一标识码；
• 失败：返回-1

shmid和key都是标识共享内存的标识符，但是属于不同的层面。内核在管理共享内存时，使用的是key，而用户在管理共享内存时使用的是shmid。

5.2.2共享内存数据结构

在系统当中可能会有大量的进程在进行通信，因此系统当中就可能存在大量的共享内存，那么操作系统必然要对其进行管理，所以共享内存除了在内存当中真正开辟空间之外，系统一定还要为共享内存维护相关的内核数据结构。

struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
	int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
	__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
	__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
	__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
	__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
	__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
	unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
	unsigned short shm_unused; /* compatibility */
	void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
	void *shm_unused3; /* unused */
};

上面的结构体内部有一个struct ipc_perm结构体，该结构体存放了与权限相关的内容。每个共享内存的key都存放在该结构体中。

struct ipc_perm {
key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */
uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */
gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */
uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */
gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */
unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST and
                                           SHM_LOCKED flags */
unsigned short __seq;    /* Sequence number */
};

用户对共享内存的管理都使用key作为标识符。

5.2.3key的获取

为什么key由用户提供？

共享内存由key作为标识符；不同的进程要看到同一块共享内存资源，则需要同一个key。如果key由进程提供，其他进程如何获得key?无法获取key，如何找到共享内存。

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

该函数可以将文件路径和项目标识符转换为一个特异的数字key。在使用shmget函数获取共享内存时，这个key值会被填充进维护共享内存的数据结构当中

参数说明：

• pathname：一般传递当前路径
• proj_id：任意传递。

创建一个共享内存

ipcshmser.cpp

#include"comm.hpp"
#include"Log.hpp"
using namespace std;
#define SIZE 4096
int main(){
    key_t key=Creatkey();
    Log()<<"key: "<<key<<std::endl;
    //创建共享内存
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL);  //创建一个全新的共享内存
    if(shmid<0){
        Log()<<"shmget error"<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 2;
    }
    Log()<<"create shmid sucess:"<<shmid<<std::endl;
    return 0;
}

comm.hpp

#define PATH_NAME "/home/west/linuxtest/bit1/shared_buff"
#define PROJ_ID 0x666
key_t Creatkey(){
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        std::cerr<<"ftok error"<<std::endl;
        exit(1);
    }
    return key;
}

Log.hpp

#include<iostream>
#include <ctime>
std::ostream& Log(){
    std::cout<<"Fot Debug |"<<"timestamp"<<(uint64_t)time(NULL)<<"| ";
    return std::cout;
}

执行结果：

System V下的共享内存的生命周期是随内核的，不会随进程的退出而关闭。共享内存只能被显示删除或者重启系统。

5.2.4获取IPC资源

ipcs 查找ipc资源
	-m	查找共享内存资源
	-s	查看信号量
	-q	查看共享队列资源

ipcrm  -m/-s/-q		删除ipc资源
ipcrm	-shmid删除共享内存资源

ipcs命令各参数意义：

标题	含义
key	系统区别各个共享内存的唯一标识
shmid	共享内存的用户层id（句柄）
owner	共享内存的拥有者
perms	共享内存的权限
bytes	共享内存的大小
nattch	关联共享内存的进程数
status	共享内存的状态

5.2.5操作共享内存

如果每次都要使用命令行去删除共享内存，那就太麻烦了。下面的接口可以实现对共享内存的操作。

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数说明：

• shmid：需要控制的共享内存用户标识
• cmd：具体的控制动作
• buf：用户获取或者设置共享内存的数据结构。

选项	具体作用
IPC_STAT	获取共享内存的当前关联值，此时参数buf作为输出型参数
IPC_SET	在进程有足够权限的前提下，将共享内存的当前关联值设置为buf所指的数据结构中的值。
IPC_RMID	删除共享内存段

返回值：

• 成功返回0，失败返回-1

下面，我们在创建一个共享内存后，等待几秒后删除它，检测共享内存的状态。

#include"comm.hpp"
#include"Log.hpp"
using namespace std;
#define SIZE 4096
int main(){
    key_t key=Creatkey();
    Log()<<"key: "<<key<<std::endl;
    //创建共享内存
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL);  //创建一个全新的共享内存
    if(shmid<0){
        Log()<<"shmget error"<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 2;
    }
    Log()<<"create shmid sucess:"<<shmid<<std::endl;
    Log()<<"del shmid begin"<<"\n";
    sleep(4);
    int ret=shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);
    if(ret<0){
        Log()<<"shmctl error"<<strerror(errno)<<"\n";
        return 1;
    }
    Log()<<"del shmid end"<<"\n";
    return 0;
}

监视命令

while :; do ipcs -m;echo "##########";sleep(1);done;

执行结果

5.2.6挂载共享内存

将共享内存连接到进程地址空间我们需要用shmat函数，将共享内存从进程空间剥离需要使用shndt函数：

关联进程地址空间

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数说明：

• 第一个参数shmid，表示待关联共享内存的用户级标识符。
• 第二个参数shmaddr，指定共享内存映射到进程地址空间的某一地址，通常设置为NULL，表示让内核自己决定一个合适的地址位置。
• 第三个参数shmflg，表示关联共享内存时设置的某些属性

shmlg参数：

选项	作用
SHM_RDONLY	关联共享内存后只进行读取操作
SHM_RND	若shmaddr不为NULL，则关联地址自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：shmaddr-(shmaddr%SHMLBA)
0	默认为读写权限

返回值：

• 成功：返回共享内存起始地址
• 失败：返回(void*)-1

去关联

int shmdt(const void *shmaddr);

参数说明：

• 待去关联共享内存的起始地址，即调用shmat函数时得到的起始地址。

返回值：

• 成功：返回0
• 失败：返回-1

示例

我们在创建共享内存后，先与该进程关联，5秒钟后，再去关联。

#include"comm.hpp"
#include"Log.hpp"
using namespace std;
#define SIZE 4096
int main(){
    key_t key=Creatkey();
    Log()<<"key: "<<key<<std::endl;
    //创建共享内存
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL);  //创建一个全新的共享内存
    if(shmid<0){
        Log()<<"shmget error"<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 2;
    }
    Log()<<"create shmid sucess:"<<shmid<<std::endl;
    char* str=(char*)shmat(shmid,nullptr,0);
    sleep(5);
    int res=shmdt((const void*)str);
    sleep(5);
    int ret=shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);
    if(ret<0){
        Log()<<"shmctl error"<<strerror(errno)<<"\n";
        return 1;
    }
    return 0;
}

五秒后，挂载数变为0；

最后共享内存被删除：

5.2.7共享内存的使用

共享内存的使用：可以不使用任何系统接口，因为共享内存是映射到了我们进程地址空间的用户空间(堆栈之间的共享区)，对于每一个进程，挂接到自己进程的共享内存，属于自己的堆栈空间，可以向内存一样使用。

实例

使用共享内存实现进程间通信，服务器接收到客户端发送的信号，就打印内容。

comm.hpp

#define PATH_NAME "/home/west/linuxtest/bit1/shared_buff"
#define PROJ_ID 0x666
#define FIFO_FIEL "myfifo"
key_t Creatkey(){
    key_t key=ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(key<0){
        std::cerr<<"ftok error"<<std::endl;
        exit(1);
    }
    return key;
}
//创建命名管道
void CreateFifo(){
    umask(0);
    if(mkfifo(FIFO_FIEL,0666)<0){
        Log()<<"mkfifo error"<<"\n";
        exit(2);
    }
}
#define READER O_RDONLY
#define WRITER O_WRONLY

//打开文件
int Open(const std::string&filename,int flags){
    return open(filename.c_str(),flags);
}
//等待信号
int Wait(int fd){
    uint32_t values=0;
    ssize_t s=read(fd,&values,sizeof(values));
    return s;
}
//发送信号
int Signal(int fd){ //发送信号，告诉接收消息
    uint32_t cmd=1;
    write(fd,&cmd,sizeof(cmd));
}
//关闭文件
int Close(const std::string filename,int fd){
    close(fd);
    unlink(filename.c_str());
}

ipcshmser.cpp

负责接收客户端发送的信号，并打印共享内存中的内容。

#include"comm.hpp"
#include"Log.hpp"
using namespace std;
#define SIZE 4096
int main(){
    //打开命名管道
    CreateFifo();
    int fd=Open(FIFO_FIEL,READER);
    assert(fd>0);

    key_t key=Creatkey();
    Log()<<"key: "<<key<<std::endl;
    //创建共享内存
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);  //创建一个全新的共享内存
    if(shmid<0){
        Log()<<"shmget error"<<strerror(errno)<<std::endl;
        return 2;
    }
    Log()<<"create shmid sucess:"<<shmid<<std::endl;
    char* str=(char*)shmat(shmid,nullptr,0);
    while (true){
        //读端一直等待
        if(Wait(fd)<=0) break;
        printf("%s\n",str);
        sleep(1);
    }    
    int res=shmdt((const void*)str);
    int ret=shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);
    if(ret<0){
        Log()<<"shmctl error"<<strerror(errno)<<"\n";
        return 1;
    }
    return 0;
}

ipcshmcil.cpp

客户端负责发送信号和向共享内存中写入数据

#define SIZE 4096
int main(){
    int fd=Open(FIFO_FIEL,WRITER);
    //创建一个相同的key值
    key_t key=Creatkey();
    Log()<<"key:"<<key<<"\n";
    //创建共享内存
    int shmid=shmget(key,SIZE,IPC_CREAT);
    if(shmid<0){
        Log()<<"shmget:"<<strerror(errno)<<"\n";
        return 2;
    }
    //挂接
    char* str=(char*)shmat(shmid,nullptr,0);
    while(true){
        printf("Please Enter# ");
        fflush(stdout);
        ssize_t s=read(0,str,SIZE);
        if(s>0){
            str[s]='\0';
        }
        Signal(fd);
    }
    //去关联
    shmdt(str);
    return 0;
}

Makefile

.PHTONY:all
all:ipcshmser ipcshmcli

ipcshmser:ipcshmser.cpp
	g++ -o $@ $^ -std=c++11
ipcshmcli:ipcshmcli.cpp
	g++ -o $@ $^ -std=c++11

.PHTONY:clean
clean:
	rm -f ipcshmser ipcshmcli

6.System V消息队列

• 消息队列实际上就是在系统当中创建了一个队列，队列当中的每个成员都是一个数据块，这些数据块都由类型和信息两部分构成；
• 两个互相通信的进程通过某种方式看到同一个消息队列
• 这两个进程向对方发数据时，都在消息队列的队尾添加数据块，这两个进程获取数据块时，都在消息队列的队头取数据块。

6.1消息队列原理

其中消息队列当中的某一个数据块是由谁发送给谁的，取决于数据块的类型。

消息队列的数据结构

struct msqid_ds {
struct ipc_perm msg_perm;
struct msg *msg_first; /* first message on queue,unused */
struct msg *msg_last; /* last message in queue,unused */
__kernel_time_t msg_stime; /* last msgsnd time */
__kernel_time_t msg_rtime; /* last msgrcv time */
__kernel_time_t msg_ctime; /* last change time */
unsigned long msg_lcbytes; /* Reuse junk fields for 32 bit */
unsigned long msg_lqbytes; /* ditto */
unsigned short msg_cbytes; /* current number of bytes on queue */
unsigned short msg_qnum; /* number of messages in queue */
unsigned short msg_qbytes; /* max number of bytes on queue */
__kernel_ipc_pid_t msg_lspid; /* pid of last msgsnd */
__kernel_ipc_pid_t msg_lrpid; /* last receive pid */
};

和共享内存一样，消息队列有一个存放权限的结构体

struct ipc_perm {
key_t __key; /* Key supplied to xxxget(2) */
uid_t uid; /* Effective UID of owner */
gid_t gid; /* Effective GID of owner */
uid_t cuid; /* Effective UID of creator */
gid_t cgid; /* Effective GID of creator */
unsigned short mode; /* Permissions */
unsigned short __seq; /* Sequence number */
};

6.2消息队列接口

6.2.1创建消息队列

msgget函数

功能：⽤用来创建和访问⼀一个消息队列
原型
int msgget(key_t key, int msgflg);
参数
key: 某个消息队列的名字
msgflg:由九个权限标志构成，它们的⽤用法和创建⽂文件时使⽤用的mode模式标志是⼀一样的
返回值：成功返回⼀一个⾮非负整数，即该消息队列的标识码；失败返回-1

和共享内存一样，key是内核级标识符，使用ftok()函数创建

6.2.2控制消息队列

功能：消息队列的控制函数
原型
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
参数
msqid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
cmd:是将要采取的动作,（有三个可取值）
返回值：成功返回0，失败返回-1

cmd选项

6.2.3添加到消息队列

表明是谁发的消息

功能：把⼀一条消息添加到消息队列中
原型
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
参数
msgid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
msgp:是⼀一个指针，指针指向准备发送的消息，
msgsz:是msgp指向的消息⻓长度，这个⻓长度不含保存消息类型的那个long int⻓长整型
msgflg:控制着当前消息队列满或到达系统上限时将要发⽣生的事情
msgflg=IPC_NOWAIT表⽰示队列满不等待，返回EAGAIN错误。
    
返回值：成功返回0；失败返回-1

注意：

1.消息结构在两⽅方⾯面受到制约:
⾸首先，它必须⼩小于系统规定的上限值；
其次，它必须以⼀一个long int⻓长整数开始，接收者函数将利⽤用这个⻓长整数确定消息的类型
    
2.消息结构参考形式如下：
struct msgbuf {
	long mtype;
	char mtext[1];
}

6.2.4消息队列接收函数

表明接收谁的消息

功能：是从⼀一个消息队列接收消息
原型
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
参数
msgid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
msgp:是⼀一个指针，指针指向准备接收的消息，
msgsz:是msgp指向的消息⻓长度，这个⻓长度不含保存消息类型的那个long int⻓长整型
msgtype:它可以实现接收优先级的简单形式
msgflg:控制着队列中没有相应类型的消息可供接收时将要发⽣生的事
返回值：成功返回实际放到接收缓冲区⾥里去的字符个数，失败返回-1

说明：

msgtype=0返回队列第⼀一条信息
msgtype>0返回队列第⼀一条类型等于msgtype的消息　
msgtype<0返回队列第⼀一条类型⼩小于等于msgtype绝对值的消息，并且是满⾜足条件的消息类型最⼩小的消息
msgflg=IPC_NOWAIT，队列没有可读消息不等待，返回ENOMSG错误。
msgflg=MSG_NOERROR，消息⼤大⼩小超过msgsz时被截断
msgtype>0且msgflg=MSG_EXCEPT，接收类型不等于msgtype的第⼀一条消息

6.3示例

消息队列实现进程间通信

comm.h

using namespace std;
#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0x6666
#define SERVER_TYPE 1
#define CLIENT_TYPE 2
struct msgbbuf{
    long mtype;
    char mtext[1024];
};
static int commMsgQueue(int flags)
{
    key_t _key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
    if(_key < 0)
    {
        cerr<<"ftok"<<endl;
        return -1;
    }
    int msgid = msgget(_key, flags);
    if(msgid < 0)
    {
        cerr<<"msgget"<<endl;
    }
    return msgid;
}
int createMsgQueue()
{
    return commMsgQueue(IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}
int getMsgQueue()
{
    return commMsgQueue(IPC_CREAT);
}
int destroyMsgQueue(int msgid)
{
    if(msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL)<0)
    {
        cerr<<"msgctl"<<endl;
        return -1;
    }
    return 0;
}
int sendMsg(int msgid, int who, char *msg)
{
    struct msgbbuf buf;
    buf.mtype = who;
    strcpy(buf.mtext, msg);
    if(msgsnd(msgid, (void*)&buf, sizeof(buf.mtext),0)<0)
    {
        cerr<<"msgsnd"<<endl;
        return -1;
    }
    return 0;
}
int recvMsg(int msgid, int recvType, char out[])
{
    struct msgbbuf buf;
    if(msgrcv(msgid, (void*)&buf, sizeof(buf.mtext), recvType,0) < 0)
    {
        cerr<<"msgrcv"<<endl;
        return -1;
    }
    strcpy(out, buf.mtext);
    return 0;
}

server.cpp

#include "comm.h"
int main()
{
    int msgid = createMsgQueue();
    char buf[1024];
    while(1)
    {
        buf[0] = 0;
        recvMsg(msgid, CLIENT_TYPE, buf);
        printf("client# %s\n", buf);
        printf("Please Enter# ");
        fflush(stdout);
        ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
        if(s>0)
        {
            buf[s-1] = 0;
            sendMsg(msgid, SERVER_TYPE, buf);
            printf("send done, wait recv...\n");
        }
    }
    destroyMsgQueue(msgid);
    return 0;
}

client.hpp

#include "comm.h"
int main()
{
    int msgid = getMsgQueue();
    char buf[1024];
    while(1)
    {   
        buf[0] = 0;
        printf("Please Enter# ");
        fflush(stdout);
        ssize_t s = read(0, buf, sizeof(buf));
        if(s>0)
        {
            buf[s-1] = 0;
            sendMsg(msgid, CLIENT_TYPE, buf);
            printf("send done, wait recv...\n");
        }
            recvMsg(msgid, SERVER_TYPE, buf);
            printf("server# %s\n", buf);
    }
    return 0;
}

结果展示

7.System V信号量

信号量的作用是保证进程间通信的同步和互斥。

下面是一些重要概念

临界资源

临界资源：被多个进程或者线程，能够同时看到的资源。

解释：如果没有对临界资源进行保护，多个进程多临界资源进行访问时，就会出现乱序。比较经典的例子是：父子进程向stdout打印是乱序的。

临界区

临界区：访问临界资源的代码段

原子性

原子性：我们把一件事，要么做完，要么不做，没有中间状态，叫做该动作是原子的。

互斥

互斥：任何时刻，都只有一个进程或者线程在访问临界资源

7.1信号量的数据结构

struct semid_ds {
	struct ipc_perm sem_perm;       /* permissions .. see ipc.h */
	__kernel_time_t sem_otime;      /* last semop time */
	__kernel_time_t sem_ctime;      /* last change time */
	struct sem  *sem_base;      /* ptr to first semaphore in array */
	struct sem_queue *sem_pending;      /* pending operations to be processed */
	struct sem_queue **sem_pending_last;    /* last pending operation */
	struct sem_undo *undo;          /* undo requests on this array */
	unsigned short  sem_nsems;      /* no. of semaphores in array */
};

和消息队列和共享内存一样，权限信息存放在ipc_perm结构体中

struct ipc_perm{
	__kernel_key_t  key;
	__kernel_uid_t  uid;
	__kernel_gid_t  gid;
	__kernel_uid_t  cuid;
	__kernel_gid_t  cgid;
	__kernel_mode_t mode;
	unsigned short  seq;
};

7.2信息量的接口

semget函数

功能：⽤用来创建和访问⼀一个信号量集
    
原型
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

参数
	key: 信号集的名字
	nsems:信号集中信号量的个数
	semflg: 由九个权限标志构成，它们的⽤用法和创建⽂文件时使⽤用的mode模式标志是⼀一样的
        
返回值：成功返回⼀一个⾮非负整数，即该信号集的标识码；失败返回-1

shmctl函数

功能：⽤用于控制信号量集
    
原型
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

参数
	semid:由semget返回的信号集标识码
	semnum:信号集中信号量的序号
cmd:将要采取的动作（有三个可取值）
最后⼀一个参数根据命令不同⽽而不同
	返回值：成功返回0；失败返回-1

semop函数

功能：⽤用来创建和访问⼀一个信号量集
原型
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

参数
	semid:是该信号量的标识码，也就是semget函数的返回值
	sops:是个指向⼀一个结构数值的指针
	nsops:信号量的个数
返回值：成功返回0；失败返回-1

说明

sembuf结构体：
struct sembuf {
	short sem_num;
	short sem_op;
	short sem_flg;
};

sem_num是信号量的编号。
sem_op是信号量⼀一次PV操作时加减的数值，⼀一般只会⽤用到两个值：
⼀一个是“-1”，也就是P操作，等待信号量变得可⽤用；
另⼀一个是“+1”，也就是我们的V操作，发出信号量已经变得可⽤用
    
sem_flag的两个取值是IPC_NOWAIT或SEM_UNDO

7.3信号量的原理

信号量的本质是一个计数器

信号量本质上是⼀一个计数器
struct semaphore
{
	int value;
	pointer_PCB queue;
}	

信号量的操作是原子的。当计数器为0，表示资源被使用完，大于0表示有资源可用的个数，小于0表示等待进程的个数。

信号量的PV原语

P原语 ：用于申请信号量

P(s)
{
	s.value = s.value--;
	if (s.value < 0)
	{
	该进程状态置为等待状状态
	将该进程的PCB插⼊入相应的等待队列s.queue末尾
	}
}

V原语 ：用于释放信号量

V(s)
{
	s.value = s.value++;
	if (s.value < =0)
	{
	唤醒相应等待队列s.queue中等待的⼀一个进程
	改变其状态为就绪态
	并将其插⼊入就绪队列
	}
}

8.IPC资源管理

从上面IPC资源的数据结构可以看出，所有的资源都有一个ipc_prem的结构体，其他资源属性不同，而ipc_prem存放的是权限相关的数据,key唯一识别一个资源。

在内核中有一个ipc_ids的结构体管理着IPC相关资源

结构体指针和结构体第一个成员的指针在数值上是相等的，因此在需要具体类型时，可以强制类型转化为相应的类型即可。比如创建一个共享内存，可以强制类型转为struct shmid_ds*类型

因为所有的IPC资源第一个成员都是struct ipc_prem；所以内核只需要管理struc ipc_prem数值，就可以管理所有的IPC资源。

这也是最早的多态技术。

9.mmap共享映射区

原理图片

mmap是直接操作内存，是进程间通信速度最快的方式。

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
/*
参数说明
	addr:以前需要传递一个映射到的内存地址，现在只需传递NULL即可
	length  mmap映射的部分的长度。
	prot:端口的权限描述
		PROT_READ 可读
		PROT_WRITE 可写
	flags:(对内存和文件之间关系的描述)
		MAP_SHARED 共享的，对内存的修改会影原文件
		MAP_PRIVATE 私有的，对内存的修改不会影响原文件
	fd:
		文件描述符，需要用open函数打开一个文件
	offset:
		偏移量
	返回值：
		成功：返回可用的内存首地址
		失败：返回信号MAP_FAILED
*/

//释放内存
int munmap(void *addr, size_t length);
/*
参数说明：
	addr：需要释放内存的首地址，一般为mmap的返回值
	length:释放内存的长度
返回值：
	成功：0
	失败：-1
*/

9.1mmap使用实例

创建book.txt文件，并在book.txt中输入xxxxxxxxxxxxx

mmaptest.c文件

int main()
{
    //具有读写的的权利
    int fd=open("book.txt",O_RDWR);
    //映射长度为8，端口权限为可读可写，内存权限为共享，偏移量为0
    char* mem=mmap(NULL,8,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    //如果没有映射成功
    if(mem==MAP_FAILED)
    {
        perror("mem err");
        return -1;
    }
    strcpy(mem,"hello");
    munmap(mem,8);
    close(fd);
    return 0;
}

编译文件

$ gcc mmaptest.c -o mmaptest
$ ./mmaptest
$ cat book.txt

输出：helloxxxxxxxxxxxxxxxxx

9.2mmap常见的问题

• 如果更改mem变量的地址，释放mummap时，mem传入失败
• 文件的偏移量，应该是是4k(4096)的整数倍。
• open文件选择O_WRONLY可以吗？不可以，内存映射的过程有读取文件的操作
• 选择MAP_SHARED的时候,，prot选择PROT_READ|PROT_WRITE，open文件应该选择可读可写O_RDWR。否则权限会发生冲突。

9.3mmap实现父子进程通信

int main()
{
    //创建映射区
    int fd=open("book.txt",O_RDWR);
    int* mem=mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(mem==MAP_FALIED)
    {
        perror("mem err");
        return -1;
    }
    //创建子进程
    pid_t pid=fork();
    //修改内存映射区的值
    if(pid==0)
    {
        *mem=100;
        printf("child mem: %d\n",*mem);
        sleep(3);
        printf("child mem: %d\n",*mem);
    }
    else if(pid>0)
    {
        sleep(1);
        printf("parent mem: %d\n",*mem);
        *mem=101;
        printf("parent mem: %d\n",*mem);
        //阻塞等待杀死子进程
        wait(NULL);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

在上述父子进程通信中，需要打开一个文件作为通信的中介。对于空间是一种占用，所以linux文件系统有匿名映射的方式。

9.4匿名映射

使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也比较容易。但是缺点是，每次创建映射区都依赖一个文件才能完成，通常建立映射区要open一个临时文件，创建好了再unlink,close。

linux系统提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文化即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。使用宏MAP_ANONYMOUS (或者MAP_ANON)

//例子
int*p=mmap(NULL,size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, offset); 

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。

int fd=open("/dev/zero",O_RDWR);  
//  /dev/zero可以随意的映射    /dev/null一般错误信息重定向到改文件中
void*p=mmap(NULL,size,PROT_READ|PROT_WRITE,MMAP_SHARED,fd,0)

对于上述父子进程通信的程序，只需要修改创建映射区的部分

int* mem=mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0)

9.5mmap实现无血缘关系的进程通信

​ 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。

mmapnorelt_w.c用于修改共享内存区域的数据

typedef struct student
{
    int number;
    char name[20];
}student;

int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        printf("./a.out filename\n");
        return -1;
    }
    //打开文件
    int fd=open(argv[1],O_RDWR);
    ftruncate(fd,sizeof(student));
    int length=sizeof(student);
    //创建映射区
    student* stu=mmap(NULL,length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(stu==MAP_FAILED)
    {
        perror("stu err");
        return -1;
    }
    //改变内存数据
    int num=1;
    while(1)
    {
        stu->number=num;
        sprintf(stu->name,"stu_name%4d",num++);
        sleep(1);
    }
    //关闭内存映射区
    munmap(stu,length);
    close(fd);
    return 0;
}

mmapnorelt_r.c,用于读取内存映射区域的数据

typedef struct student
{
    int number;
    char name[20];
}student;

int main(int argc,char* argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        printf("./a.out filename\n");
        return -1;
    }
    //打开文件
    int fd=open(argv[1],O_RDWR);
    int length=sizeof(student);
    student* stu=mmap(NULL,length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(stu==MAP_FAILED)
    {
        perror("stu err");
        return -1;
    }
    while(1)
    {
        printf("stu->number: %d     stu->name: %s\n",stu->number,stu->name);
        sleep(1);
    }
    //关闭内存区域和文件
    munmap(stu,length);
    close(fd);
    return 0;
}

编译文件

$ touch norelt.txt
$ gcc mmapnorelt_r.c -o mmapnorelt_r
$ gcc mmapnorelt_w.c -o mmapnorelt_w
$ ./mmaonorelt_w norelt.txt
$ ./mmaonorelt_r norelt.txt