Linux系统编程——进程间通信

1. 进程间通信

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)

• 管道pipe：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
• 命名管道FIFO：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
• 消息队列MessageQueue：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
• 共享存储SharedMemory：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
• 信号量Semaphore：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
• 套接字Socket：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。
• 信号 ( sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

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。

磁盘通过振臂的收缩和磁盘的旋转来定位到磁盘的某一点上，磁盘被划分为若干个等分，每一份称为一个扇区，大小为512KB，

• 有如下特质：
  • ① 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区) ，伪文件不占用磁盘存储
  • 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 数据自己读不能自己写。
  • ② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
  • ③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据单向流动。
  • ④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。（具有血缘关系）

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]); fd[2]为传出参数

• 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。

实现父子进程间通信，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。

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。

#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

int main(){
    
    
    int fd[2];
    int ret = pipe(fd);
    if(ret == -1){
    
    
        perror("pipe error");
        exit(1);
    }
    pid_t pid = fork();
    if(pid == -1){
    
    
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else if(pid == 0){
    
    //子进程读数据
        close(fd[1]);//子进程关闭写端
        //子进程读数据
        char buf[1024];
        int flag = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
        if(flag == 0){
    
    
            cout << "------------" << endl;
        }
        write(STDOUT_FILENO,buf,flag);//显示到屏幕
    }else{
    
     //父进程，写数据
        close(fd[0]);//父进程关闭读端
        write(fd[1],"hello pipe\n",strlen("hello pipe\n"));
    }
    return 0;
}

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。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;
int main(){
    
    
	int fd[2];
	pipe(fd);
	pid_t pid = fork();
	if (pid == 0) {
    
      //child
		close(fd[1]);	                //子进程从管道中读数据，关闭写端
		dup2(fd[0], STDIN_FILENO);		//让wc从管道中读取数据
		execlp("wc", "wc", "-l", NULL);	//wc命令默认从标准读入取数据
	} else {
    
    
		close(fd[0]);	//父进程向管道中写数据，关闭读端
		dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);		//将ls的结果写入管道中
		execlp("ls", "ls", NULL);		//ls输出结果默认对应屏幕
	}
	return 0;
}

• 程序不时的会出现先打印$提示符，再出程序运行结果的现象。
• 这是因为：父进程执行ls命令，将输出结果给通过管道传递给
• 子进程去执行wc命令，这时父进程若先于子进程打印wc运行结果
• 之前被shell使用wait函数成功回收，shell就会先于子进程打印
• wc运行结果之前打印$提示符。
• 解决方法：让子进程执行ls,父进程执行wc命令。或者在兄弟进程间完成。

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。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
using namespace std;
int main(void)
{
    
    
	pid_t pid;
	int fd[2], i;
	pipe(fd);
	for (i = 0; i < 2; i++) {
    
    
		if((pid = fork()) == 0) {
    
    
			break;
        }
    }
	if (i == 0) {
    
    			//兄
		close(fd[0]);				//写,关闭读端
		dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);		
		execlp("ls", "ls", NULL);	
	} else if (i == 1) {
    
    	//弟
		close(fd[1]);				//读，关闭写端
		dup2(fd[0], STDIN_FILENO);		
		execlp("wc", "wc", "-l", NULL);		
	} else {
    
    
        close(fd[0]);
        close(fd[1]);
		for(i = 0; i < 2; i++)		//两个儿子wait两次
			wait(NULL);
	}
	return 0;
}

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】

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：

• 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
• 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。

创建方式：

1. 命令：mkfifo 管道名
   

2. 库函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 建立一个名字为filename的命名管道，参数mode为该文件的权限（mode%~umask），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。也就共享打开的文件。
测试：父子进程共享打开的文件。借助文件进行进程间通信。子进程写入数据到test.txt ，父进程把数据读出

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
using namespace std;

int main(){
    
    
    pid_t pid = fork();
    int fd1,fd2;
    char buf[1024];
    char const*str = "-----test for share fd in parent child process-----\n";

    if(pid == 0){
    
    //子进程
        fd1 = open("test.txt",O_RDWR | O_CREAT,0777);
        if(fd1 == 0){
    
    
            perror("child open error");
            exit(1);
        }
        write(fd1,str,strlen(str));
        cout << "child worte over...." << endl;
    }else if(pid > 0){
    
    
        fd2 = open("test.txt",O_RDWR);
        if(fd2 == -1){
    
    
            perror("father open error");
            exit(1);
        }
        sleep(1);//保证子进程写入数据
    }else{
    
    
        perror("fork error");
        exit(1);
    }
    return 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？

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。

4.3 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)
    • MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）
    • 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)，因为mmu在映射的时候最小单位为4k

4.4 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

创建映射区，把字符串abc写入文件：

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <cstring>
using namespace std;

int main(){
    
    
    int fd = open("hello.txt",O_RDWR | O_CREAT,0644);
    if(fd == -1){
    
    
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    //mmap创建映射区
    if(fd == -1){
    
    
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    char *p = NULL;
    p =  (char*)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
    
    
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    strcpy(p,"abc\n");//写数据
    int ret = munmap(p,4);//释放映射区
    if(ret == -1){
    
    
        perror("munmap error");
        exit(1);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

4.5 mmap注意事项

1. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗? 可以
2. 如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？参数flags为共享时，报错权限不足；为私有时，报错总线不足
3. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？没有影响
4. 如果文件偏移量为1000会怎样？报错：无效参数
5. 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：

• 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
• 当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。
• 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。
• 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。
• munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
• 如果文件偏移量必须为4K的整数倍
• 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。

4.6 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。

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <iostream>
using namespace std;

int var = 100;

int main(){
    
    
    pid_t pid;
    int *p;

    int fd = open("temp.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644);//创建一个文件，并把文件大小截断为0
    if(fd == -1){
    
    
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    unlink("temp.txt");//删除临时文件目录项，使之具备被释放的条件
    ftruncate(fd,4);//文件大小设置为4kb
    //创建映射区
    p = (int*)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);
    //p = (int*)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
    
    
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    close(fd);//映射区创建完毕，即可关闭文件

    pid = fork();//创建子进程
    if(pid == 0){
    
    
        *p = 2000;
        var = 999;
        cout << "child : *p = " << *p << " ,var = " << var << endl;
    }else if(pid > 0){
    
    
        sleep(1);
        cout << "father : *p = " << *p << " ,var = " << var << endl;
        wait(NULL);   
    }else{
    
    
        perror("fork error");
        exit(1);
    }
    //释放映射区
    int ret = munmap(p,4);
    if(ret == -1){
    
    
        perror("munmap error");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

• MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区；
  
  因为此时父子进程各自独占映射区，子进程对*p进行修改，并不影响父进程的*p。

• MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区；
  
  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)

4.7 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。

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <iostream>
using namespace std;

int var = 100;
int main(){
    
    
    pid_t pid;
    int *p;
    //创建映射区
    p = (int*)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0);
    if(p == MAP_FAILED){
    
    
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    pid = fork();//创建子进程
    if(pid == 0){
    
    
        *p = 2000;
        var = 999;
        cout << "child : *p = " << *p << " ,var = " << var << endl;
    }else if(pid > 0){
    
    
        sleep(1);
        cout << "father : *p = " << *p << " ,var = " << var << endl;
        wait(NULL);   
    }else{
    
    
        perror("fork error");
        exit(1);
    }
    //释放映射区
    int ret = munmap(p,4);
    if(ret == -1){
    
    
        perror("munmap error");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

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);

没有实际大小，使用时可以按需求设置大小

4.8 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。

strace 可执行文件 可追踪程序执行过程中所使用的系统调用有哪些

4.9 利用文件实现两个不同进程间的通信

//先执行，将数据写入文件
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <cstring>
using namespace std;

int main(){
    
    
    char buf[1024];
    char const *str = "----------------first execute ----------------\n";
    int ret;
    int fd = open("test.txt",O_RDWR|O_CREAT,0664);
    //直接打开文件写入数据
    write(fd,str,strlen(str));
    cout << "write into test.txt finish" << endl;

    sleep(5);
    //输出到屏幕
    lseek(fd,0,SEEK_SET);
    ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
    ret = write(STDOUT_FILENO,buf,ret);

    if(ret == -1){
    
    
        perror("write second error");
        exit(1);
    }
    close(fd);

    return 0;
}

//后执行，尝试读取另一个进程写入的数据
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <cstring>
using namespace std;

int main(){
    
    
    char buf[1024];
    char const *str = "-----------second execute-----------\n";
    int ret;
    sleep(2);//保证first_execute将数据写入文件
    int fd = open("test.txt",O_RDWR);
    //尝试读取test.txt文件中first写入的数据
    ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
    //输出到屏幕
    write(STDOUT_FILENO,buf,ret);

    //写入数据到文件test.txt中，未修改读写位置
    write(fd,str,strlen(str));

    cout << "second execute finished" << endl;

    close(fd);

    return 0;
}