linux 系统编程-进程中的通信

news2024/12/23 10:52:18

目录

1 IPC 方法

2管道

2.1管道的概念

2.2 pipe 函数

 2.3管道的读写行为

2.4 管道缓冲区大小

2.5 管道的优劣

2.6 FIFO

3.共享存储映射

3.1 文件进程间通信

3.2 存储映射 I/O

3.3 mmap 函数

3.4 munmap 函数

3.5 mmap 注意事项

3.6 mmap 父子进程通信

3.7 mmap 无血缘关系进程间通信

3.8 匿名映射


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)

   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 )
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:
① 数据不能进程自己写,自己读。
② 管道中数据不可反复读取。一旦读走,管道中不再存在。
③ 采用半双工通信方式,数据只能在单方向上流动。
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: fd[0] r fd[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:
1. 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。
2. 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。
3. 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):
1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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:
① 读管道: 1. 管道中有数据, read 返回实际读到的字节数。
2. 管道中无数据:
(1) 管道写端被全部关闭, read 返回 0 ( 好像读到文件结尾 )
(2) 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)
② 写管道: 1. 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 )
2. 管道读端没有全部关闭:
(1) 管道已满, write 阻塞。
(2) 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
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。
pipe1.c
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。
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。
pipe2.c
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?
pipe3.c
课后作业 : 统计当前系统中进程 ID 大于 10000 的进程个数

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。

2.6 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。
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。

3.共享存储映射

3.1 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。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
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?

3.2 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。

3.3 mmap 函数

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
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 )
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
offset : 映射文件的偏移 (4k 的整数倍 )

3.4 munmap 函数

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 借鉴 malloc 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?

3.5 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 O_RDONLY mmap 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. 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?
总结:使用 mmap 时务必注意以下事项:
1. 创建映射区的过程中,隐含着一次对映射文件的读操作。
2. MAP_SHARED 时,要求:映射区的权限应 <= 文件打开的权限 ( 出于对映射区的保护 ) 。而 MAP_PRIVATE 则无所谓,因为 mmap 中的权限是对内存的限制。
3. 映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功,文件可以立即关闭。
4. 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。
5. munmap 传入的地址一定是 mmap 的返回地址。坚决杜绝指针 ++ 操作。
6. 如果文件偏移量必须为 4K 的整数倍
7. mmap 创建映射区出错概率非常高,一定要检查返回值,确保映射区建立成功再进行后续操作。

3.6 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)

3.7 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 /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。
mmp_w.c/mmp_r.c

3.8 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 ( 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。
fork_map_anon_linux.c
需注意的是, MAP_ANONYMOUS 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。
fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);
fork_map_anon.c

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.coloradmin.cn/o/777691.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈,一经查实,立即删除!

相关文章

JAVA 面试准备

这里写自定义目录标题 一、JAVA基础1.ArrayList2.HashMap3.Concurrenthashmap4.Stream5.synchronized6.线程池7.CompletableFuture8.Fork/join9.数组与链表的区别10.单例模式1.饿汉模式2.懒汉模式10.1、 为啥使用synchronized?10.2、 又为啥使用volatile?10.3、 那又又为啥用…

【MySQL进阶(一)】MySQL在Linux中的配置信息和数据备份工具

MySQL在Linux中安装的话可以看这篇博客&#xff1a;MySQL在Linux中的安装&#xff0c;我觉得总结的很好。 my.cnf 中的配置信息 当 MySQL 启动的时候&#xff0c;会从安装目录中加载软件数据&#xff0c;即使用 mysqld 工具初始化设置的 --basedir&#xff0c;会从数据目录中…

GaussDB云数据库配套工具UGO

目录 一、前言 二、数据库和应用迁移UGO定义 1、UGO定义 2、异构数据库迁移简图 三、数据库迁移的痛点 四、数据库和应用迁移UGO能力介绍 五、数据库和应用迁移UGO方案简图介绍 六、小结 一、前言 在数字化时代&#xff0c;企业面临着越来越多的数据库和应用迁移需求。…

SpringBoot解决跨域问题的几种方式

本文参考自:SpringBoot 解决跨域问题的 5 种方案!_springboot跨域问题解决方案_肥肥技术宅的博客-CSDN博客 SpringBoot解决ajax跨域问题-腾讯云开发者社区-腾讯云 跨域问题指的是不同站点之间,使用 ajax 无法相互调用的问题。跨域问题本质是浏览器的一种保护机制,它的初衷…

认识C++继承

认识继承 继承(inheritance)机制是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段&#xff0c;它允许程序员在保持原有类特性的基础上进行扩展&#xff0c;增加功能&#xff0c;这样产生新的类&#xff0c;称派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构&#xff0c;体现了由…

Protobuf数据交互实战

"no one gonna make me down" 在之前呢&#xff0c;我们介绍了什么protobuf以及它的语法、数据类型。 一句老话说得好&#xff0c;"多说不练&#xff0c;假把式&#xff01;"。因此&#xff0c;本篇会选择以protobuf的语法&#xff0c;完成一个简易的通讯…

uniapp 微信小程序 自定义弹框+picker下拉选择列表+输入表单:拒绝-选择理由弹窗

效果&#xff1a; 1、template <!-- 拒绝-选择理由弹窗--> <view class"reason-popover" v-if"showReasonDialog"><view class"reason-modal"><view class"reason-title"><text>请选择拒绝理由<…

文心一言 VS 讯飞星火 VS chatgpt (64)-- 算法导论6.5 3题

文心一言 VS 讯飞星火 VS chatgpt &#xff08;64&#xff09;-- 算法导论6.5 3题 三、要求用最小堆实现最小优先队列&#xff0c;请写出 HEAP-MINIMUM、HEAP-EXTRACT-MIN、HEAP DECREASE-KEY 和 MIN-HEAP-INSERT 的伪代码。 文心一言&#xff1a; 以下是使用最小堆实现最小…

界面控件DevExpress WPF数据编辑器组件,让数据处理更灵活!(二)

界面控件DevExpress WPF编辑器库可以帮助用户提供直观的用户体验&#xff0c;具有无与伦比的运行时选项和灵活性。WPF数据编辑器提供了全面的掩码和数据验证支持&#xff0c;可以独立使用&#xff0c;也可以作为容器控件(如DevExpress WPF Grid和WPF TreeList)中的单元格编辑器…

ubantu 安装 sudo apt install ubuntu-restricted-extras. 如何 OK

在安装的时候&#xff0c;不知道如何 Ok 使用 回车键&#xff0c;空格键 均不行&#xff0c;使用 Tab 键 &#xff0c;然后再使用 回车键。 Configuring ttf-mscorefonts-installer 答案是使用 Tab 键。

【Python】pyecharts 模块 ③ ( 使用 pyecharts 模块绘制折线图 )

文章目录 一、使用 pyecharts 模块绘制折线图1、折线图绘制过程2、完整代码示例 pyecharts 画廊网站 : https://gallery.pyecharts.org/#/ 在该网站可查看官方示例 一、使用 pyecharts 模块绘制折线图 1、折线图绘制过程 首先 , 导入 折线图 Line 对象 , 该类定义在 pyecharts…

Go http.Get不需要defer res.Body.Close()

前戏&#xff1a; go net/http包&#xff0c;必须要手动关闭嘛&#xff1f;非也。线上程序为啥协程数量直线上升&#xff0c;因为使用的姿势不对&#xff0c;请换个姿势。 干货&#xff1a; 手动关闭&#xff0c;释放资源 defer res.Body.Close() &#xff08;这是一个好习…

LeetCode[剑指Offer51]数组中的逆序对

难度&#xff1a;Hard 题目&#xff1a; 在数组中的两个数字&#xff0c;如果前面一个数字大于后面的数字&#xff0c;则这两个数字组成一个逆序对。输入一个数组&#xff0c;求出这个数组中的逆序对的总数。 示例 1: 输入: [7,5,6,4] 输出: 5 限制&#xff1a; 0 < 数组…

C++【STL】queue和deque 容器详解

C【STL】queue和deque 容器详解 一级目录 二级目录 三级目录 1. 什么是queue容器&#xff1f; Queue是一种先讲先出( First In First Out,FIFO )的数据结构&#xff0c;它有两个出口。 queue模版类的定义在头文件中。 include 定义queue对象的示例代码如下∶ queue<i…

【华为c# OD机考参考答案】01---IPv4地址转换成整数

题目 1、题目 01---IPv4地址转换成整数2、解图思路 1、IP地址转为二进制 2、二进制转十进制 3、注意事项 1、IP地址的范围判断 2、空字符串判断 3、非法字符判断 4、考点 1、string的split 、convert等相关用法 2、正则表达式 3、进制转换 4、理解32位整数的意思 5、代码 判…

2023华为OD统一考试(B卷)题库清单(持续收录中)以及考点说明

目录 专栏导读2023 B卷 “新加题”&#xff08;100分值&#xff09;2023Q2 100分2023Q2 200分2023Q1 100分2023Q1 200分2022Q4 100分2022Q4 200分牛客练习题 专栏导读 本专栏收录于《华为OD机试&#xff08;JAVA&#xff09;真题&#xff08;A卷B卷&#xff09;》。 刷的越多&…

【实用工具】-Git+GitLab

1. Git介绍 1.1 什么是Git&#xff1f; Git是一个分布式版本控制系统&#xff0c;用于跟踪和管理项目代码的变化。它是由Linus Torvalds于2005年创建的&#xff0c;旨在帮助开发者更好地协作、追踪代码的更改&#xff0c;并轻松地回滚到之前的版本。 Git相比传统的集中式版本…

网络安全 Day17-计算机网络知识02

计算机网络知识02 1. 交换机2. 网络知识名词3. ARP3.1 ARP通讯原理3.2 arp欺骗3.3 ARP欺骗与预防3.4 排查ARP病毒 4. 路由器 1. 交换机 什么是交换机 实现一个网络内多台主机之间通讯的设备用于电信号转发和放大的网络设备 常见的交换机&#xff1a;以太网交换机&#xff0c;电…

【Java】SpringBoot下写一个全局捕获异常的怎么实现?

文章目录 前言一、全局异常处理方式一1.1 自定义全局异常类1.2 手动抛出异常1.3 测试打印 二、全局异常处理方式二2.1 定义基础接口类2.2 定义枚举类2.3 自定义异常类2.4 自定义数据传输2.5 自定义全局异常处理2.6 测试代码 总结 前言 在日常项目开发中&#xff0c;异常是常见…

Nginx 用户指南:安装、配置和基本使用

前言 本用户指南将帮助您了解如何安装、配置和基本使用 Nginx。Nginx 是一款高性能的开源 Web 服务器和反向代理服务器&#xff0c;具有强大的性能和灵活性&#xff0c;可以满足各种 Web 服务器需求。 安装 Nginx a. 在 Ubuntu 上安装&#xff1a; $ sudo apt update $ sud…