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第七课 进程通信
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一、基本概念
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1. 何为进程间通信
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进程间通信(Interprocess Communication, IPC)是指两个，
或多个进程之间进行数据交换的过程。
2. 进程间通信分类
~~~~~~~~~~~~~~~~~
1) 简单进程间通信：命令行参数、环境变量、信号、文件。
2) 传统进程间通信：管道(fifo/pipe)。
3) XSI进程间通信：共享内存、消息队列、信号量。
4) 网络进程间通信：套接字。
二、传统进程间通信——管道
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1. 管道是Unix系统最古老的进程间通信方式。
2. 历史上的管道通常是指半双工管道，
只允许数据单向流动。现代系统大都提供全双工管道，
数据可以沿着管道双向流动。
3. 有名管道(fifo)：基于有名文件(管道文件)的管道通信。
1) 命令形式
# mkfifo fifo
# echo hello > fifo # cat fifo
2) 编程模型
------+----------+------------+----------+------
步骤 | 进程A | 函数 | 进程B | 步骤
------+----------+------------+----------+------
1 | 创建管道 | mkfifo | ---- |
2 | 打开管道 | open | 打开管道 | 1
3 | 读写管道 | read/write | 读写管道 | 2
4 | 关闭管道 | close | 关闭管道 | 3
5 | 删除管道 | unlink | ---- |
------+----------+------------+----------+------
范例：wfifo.c、rfifo.c
图示：fifo.bmp
4. 无名管道(pipe)：适用于父子进程之间的通信。
#include <unistd.h>
int pipe (int pipefd[2]);
1) 成功返回0，失败返回-1。
2) 通过输出参数pipefd返回两个文件描述符，
其中pipefd[0]用于读，pipefd[1]用于写。
3) 一般用法
A. 调用该函数在内核中创建管道文件，并通过其输出参数，
获得分别用于读和写的两个文件描述符；
B. 调用fork函数，创建子进程；
C. 写数据的进程关闭读端(pipefd[0])，
读数据的进程关闭写端(pipefd[1])；
D. 传输数据；
E. 父子进程分别关闭自己的文件描述符。
图示：pipe.bmp
范例：pipe.c
三、XSI进程间通信
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1. IPC标识
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内核为每个进程间通信维护一个结构体形式的IPC对象。
该对象可通过一个非负整数的IPC标识来引用。
与文件描述符不同，IPC标识在使用时会持续加1，
当达到最大值时，向0回转。
2. IPC键值
~~~~~~~~~~
IPC标识是IPC对象的内部名称。
若多个进程需要在同一个IPC对象上会合，
则必须通过键值作为其外部名称来引用该对象。
1) 无论何时，只要创建IPC对象，就必须指定一个键值。
2) 键值的数据类型在sys/types.h头文件中被定义为key_t，
其原始类型就是长整型。
3. 客户机进程与服务器进程在IPC对象上的三种会合方式
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1) 服务器进程以IPC_PRIVATE为键值创建一个新的IPC对象，
并将该IPC对象的标识存放在某处(如文件中)，
以方便客户机进程读取。
2) 在一个公共头文件中，
定义一个客户机进程和服务器进程都认可的键值，
服务器进程用此键值创建IPC对象，
客户机进程用此键值获取该IPC对象。
3) 客户机进程和服务器进程，
事先约定好一个路径名和一个项目ID(0-255)，
二者通过ftok函数，
将该路径名和项目ID转换为一致的键值。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok (const char* pathname, int proj_id);
pathname - 一个真实存在的文件或目录的路径名。
proj_id - 项目ID，仅低8位有效，其值域为[0,255]。
成功返回键值，失败返回-1。
注意：起作用的是pathname参数所表示的路径，
而非pathname字符串本身。
因此假设当前目录是/home/soft01/uc/day07，则
ftok (".", 100);
和
ftok ("/home/soft01/uc/day07", 100);
的返回值完全相同。
4. IPC对象的创建
~~~~~~~~~~~~~~~~
1) 若以IPC_PRIVATE为键值创建IPC对象，
则永远创建成功。
2) 若所指定的键值在系统范围内未与任何IPC对象相结合，
且创建标志包含IPC_CREAT位，则创建成功。
3) 若所指定的键值在系统范围内已与某个IPC对象相结合，
且创建标志包含IPC_CREAT和IPC_EXCL位，则创建失败。
5. IPC对象的销毁/控制
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IPC_STAT - 获取IPC对象属性
IPC_SET - 设置IPC对象属性
IPC_RMID - 删除IPC对象
四、共享内存
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1. 基本特点
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1) 两个或者更多进程，
共享同一块由系统内核负责维护的内存区域，
其地址空间通常被映射到堆和栈之间。
图示：shm.bmp
2) 无需复制信息，最快的一种IPC机制。
3) 需要考虑同步访问的问题。
4) 内核为每个共享内存，
维护一个shmid_ds结构体形式的共享内存对象。
2. 常用函数
~~~~~~~~~~~
#include <sys/shm.h>
1) 创建/获取共享内存
int shmget (key_t key, size_t size, int shmflg);
A. 该函数以key参数为键值创建共享内存，
或获取已有的共享内存。
B. size参数为共享内存的字节数，
建议取内存页字节数(4096)的整数倍。
若希望创建共享内存，则必需指定size参数。
若只为获取已有的共享内存，则size参数可取0。
C. shmflg取值：
0 - 获取，不存在即失败。
IPC_CREAT - 创建，不存在即创建，
已存在即获取，除非...
IPC_EXCL - 排斥，已存在即失败。
D. 成功返回共享内存标识，失败返回-1。
2) 加载共享内存
void* shmat (int shmid, const void* shmaddr,
int shmflg);
A. 将shmid参数所标识的共享内存，
映射到调用进程的地址空间。
B. 可通过shmaddr参数人为指定映射地址，
也可将该参数置NULL，由系统自动选择。
C. shmflg取值：
0 - 以读写方式使用共享内存。
SHM_RDONLY - 以只读方式使用共享内存。
SHM_RND - 只在shmaddr参数非NULL时起作用。
表示对该参数向下取内存页的整数倍，
作为映射地址。
D. 成功返回映射地址，失败返回-1。
E. 内核将该共享内存的加载计数加1。
3) 卸载共享内存
int shmdt (const void* shmaddr);
A. 从调用进程的地址空间中，
取消由shmaddr参数所指向的，共享内存映射区域。
B. 成功返回0，失败返回-1。
C. 内核将该共享内存的加载计数减1。
4) 销毁/控制共享内存
int shmctl (int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf);
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; // 所有者及其权限
size_t shm_segsz; // 大小(以字节为单位)
time_t shm_atime; // 最后加载时间
time_t shm_dtime; // 最后卸载时间
time_t shm_ctime; // 最后改变时间
pid_t shm_cpid; // 创建进程PID
pid_t shm_lpid; // 最后加载/卸载进程PID
shmatt_t shm_nattch; // 当前加载计数
...
};
struct ipc_perm {
key_t __key; // 键值
uid_t uid; // 有效属主ID
gid_t gid; // 有效属组ID
uid_t cuid; // 有效创建者ID
gid_t cgid; // 有效创建组ID
unsigned short mode; // 权限字
unsigned short __seq; // 序列号
};
A. cmd取值：
IPC_STAT - 获取共享内存的属性，通过buf参数输出。
IPC_SET - 设置共享内存的属性，通过buf参数输入，
仅以下三个属性可设置：
shmid_ds::shm_perm.uid
shmid_ds::shm_perm.gid
shmid_ds::shm_perm.mode
IPC_RMID - 标记删除共享内存。
并非真正删除共享内存，只是做一个删除标记，
禁止其被继续加载，但已有加载依然保留。
只有当该共享内存的加载计数为0时，
才真正被删除。
B. 成功返回0，失败返回-1。
3. 编程模型
~~~~~~~~~~~
------+--------------+--------+--------------+------
步骤 | 进程A | 函数 | 进程B | 步骤
------+--------------+--------+--------------+------
1 | 创建共享内存 | shmget | 获取共享内存 | 1
2 | 加载共享内存 | shmat | 加载共享内存 | 2
3 | 使用共享内存 | ... | 使用共享内存 | 3
4 | 卸载共享内存 | shmdt | 卸载共享内存 | 4
5 | 销毁共享内存 | shmctl | ---- |
------+--------------+--------+--------------+------
范例：wshm.c、rshm.c
五、消息队列
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1. 基本特点
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1) 消息队列是一个由系统内核负责存储和管理，
并通过消息队列标识引用的数据链表。
2) 可以通过msgget函数创建一个新的消息队列，
或获取一个已有的消息队列。
通过msgsnd函数向消息队列的后端追加消息，
通过msgrcv函数从消息队列的前端提取消息。
3) 消息队列中的每个消息单元除包含消息数据外，
还包含消息类型和数据长度。
4) 内核为每个消息队列，
维护一个msqid_ds结构体形式的消息队列对象。
2. 常用函数
~~~~~~~~~~~
#include <sys/msg.h>
1) 创建/获取消息队列
int msgget (key_t key, int msgflg);
A. 该函数以key参数为键值创建消息队列，
或获取已有的消息队列。
B. msgflg取值：
0 - 获取，不存在即失败。
IPC_CREAT - 创建，不存在即创建，
已存在即获取，除非...
IPC_EXCL - 排斥，已存在即失败。
C. 成功返回消息队列标识，失败返回-1。
2) 向消息队列发送消息
int msgsnd (int msqid, const void* msgp,
size_t msgsz, int msgflg);
A. msgp参数指向一个包含消息类型和消息数据的内存块。
该内存块的前4个字节必须是一个大于0的整数，
代表消息类型，其后紧跟消息数据。
消息数据的字节长度用msgsz参数表示。
+---------------+-----------------+
msgp -> | 消息类型 (>0) | 消息数据 |
+---------------+-----------------+
|<----- 4 ----->|<---- msgsz ---->|
注意：msgsz参数并不包含消息类型的字节数(4)。
B. 若内核中的消息队列缓冲区有足够的空闲空间，
则此函数会将消息拷入该缓冲区并立即返回0，
表示发送成功，否则此函数会阻塞，
直到内核中的消息队列缓冲区有足够的空闲空间为止
(比如有消息被接收)。
C. 若msgflg参数包含IPC_NOWAIT位，
则当内核中的消息队列缓冲区没有足够的空闲空间时，
此函数不会阻塞，而是返回-1，errno为EAGAIN。
D. 成功返回0，失败返回-1。
3) 从消息队列接收消息
ssize_t msgrcv (int msqid, void* msgp, size_t msgsz,
long msgtyp, int msgflg);
A. msgp参数指向一个包含消息类型(4字节)，
和消息数据的内存块，
其中消息数据缓冲区的字节大小用msgsz参数表示。
B. 若所接收到的消息数据字节数大于msgsz参数，
即消息太长，且msgflg参数包含MSG_NOERROR位，
则该消息被截取msgsz字节返回，剩余部分被丢弃。
C. 若msgflg参数不包含MSG_NOERROR位，消息又太长，
则不对该消息做任何处理，直接返回-1，errno为E2BIG。
D. msgtyp参数表示期望接收哪类消息：
=0 - 返回消息队列中的第一条消息。
>0 - 若msgflg参数不包含MSG_EXCEPT位，
则返回消息队列中第一个类型为msgtyp的消息；
若msgflg参数包含MSG_EXCEPT位，
则返回消息队列中第一个类型不为msgtyp的消息。
<0 - 返回消息队列中类型小于等于msgtyp的绝对值的消息。
若有多个，则取类型最小者。
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
| 3 | 4 | 2 | 1 | 3 | 2 | 4 | 3 | 3 |
-> rear +- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+- -+ front ->
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
^ ^ ^ ^
4 3 2 1
msgrcv (..., ..., ..., 3, ...);
E. 若消息队列中有可接收消息，
则此函数会将该消息移出消息队列并立即返回0，
表示接收成功，否则此函数会阻塞，
直到消息队列中有可接收消息为止。
F. 若msgflg参数包含IPC_NOWAIT位，
则当消息队列中没有可接收消息时，此函数不会阻塞，
而是返回-1，errno为ENOMSG。
G. 成功返回所接收到的消息数据的字节数，失败返回-1。
4) 销毁/控制消息队列
int msgctl (int msqid, int cmd, struct msqid_ds* buf);
struct msqid_ds {
struct ipc_perm msg_perm; // 权限信息
time_t msg_stime; // 随后发送时间
time_t msg_rtime; // 最后接收时间
time_t msg_ctime; // 最后改变时间
unsigned long __msg_cbytes; // 消息队列中的字节数
msgqnum_t msg_qnum; // 消息队列中的消息数
msglen_t msg_qbytes; // 消息队列能容纳的最大字节数
pid_t msg_lspid; // 最后发送进程PID
pid_t msg_lrpid; // 最后接收进程PID
};
struct ipc_perm {
key_t __key; // 键值
uid_t uid; // 有效属主ID
gid_t gid; // 有效属组ID
uid_t cuid; // 有效创建者ID
gid_t cgid; // 有效创建组ID
unsigned short mode; // 权限字
unsigned short __seq; // 序列号
};
A. cmd取值：
IPC_STAT - 获取消息队列的属性，通过buf参数输出。
IPC_SET - 设置消息队列的属性，通过buf参数输入，
仅以下四个属性可设置：
msqid_ds::msg_perm.uid
msqid_ds::msg_perm.gid
msqid_ds::msg_perm.mode
msqid_ds::msg_qbytes
IPC_RMID - 立即删除消息队列。
此时所有阻塞在对该消息队列的，
msgsnd和msgrcv函数调用，
都会立即返回失败，errno为EIDRM。
B. 成功返回0，失败返回-1。
3. 编程模型
~~~~~~~~~~~
------+--------------+---------------+--------------+------
步骤 | 进程A | 函数 | 进程B | 步骤
------+--------------+---------------+--------------+------
1 | 创建消息队列 | msgget | 获取消息队列 | 1
2 | 发送接收消息 | msgsnd/msgrcv | 发送接收消息 | 2
3 | 销毁消息队列 | msgctl | ---- |
------+--------------+---------------+--------------+------
范例：wmsq.c、rmsq.c
练习：基于消息队列的本地银行。
代码：bank/
六、信号量
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1. 基本特点
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1) 计数器，用于限制多个进程对有限共享资源的访问。
2) 多个进程获取有限共享资源的操作模式
A. 测试控制该资源的信号量；
B. 若信号量大于0，则进程可以使用该资源，
为了表示此进程已获得该资源，需将信号量减1；
C. 若信号量等于0，则进程休眠等待该资源，
直到信号量大于0，进程被唤醒，执行步骤A；
D. 当某进程不再使用该资源时，信号量增1，
正在休眠等待该资源的其它进程将被唤醒。
2. 常用函数
~~~~~~~~~~~
#include <sys/sem.h>
1) 创建/获取信号量
int semget (key_t key, int nsems, int semflg);
A. 该函数以key参数为键值创建一个信号量集合
(nsems参数表示集合中的信号量数)，
或获取已有的信号量集合(nsems取0)。
B. semflg取值：
0 - 获取，不存在即失败。
IPC_CREAT - 创建，不存在即创建，
已存在即获取，除非...
IPC_EXCL - 排斥，已存在即失败。
C. 成功返回信号量集合标识，失败返回-1。
2) 操作信号量
int semop (int semid, struct sembuf* sops,
unsigned nsops);
struct sembuf {
unsigned short sem_num; // 信号量下标
short sem_op; // 操作数
short sem_flg; // 操作标记
};
A. 该函数对semid参数所标识的信号量集合中，
由sops参数所指向的包含nsops个元素的，
结构体数组中的每个元素，依次执行如下操作：
a) 若sem_op大于0，
则将其加到第sem_num个信号量的计数值上，
以表示对资源的释放；
b) 若sem_op小于0，
则从第sem_num个信号量的计数值中减去其绝对值，
以表示对资源的获取；
c) 若第sem_num个信号量的计数值不够减(信号量不能为负)，
则此函数会阻塞，直到该信号量够减为止，
以表示对资源的等待；
d) 若sem_flg包含IPC_NOWAIT位，
则当第sem_num个信号量的计数值不够减时，
此函数不会阻塞，而是返回-1，errno为EAGAIN，
以便在等待资源的同时还可做其它处理；
e) 若sem_op等于0，
则直到第sem_num个信号量的计数值为0时才返回，
除非sem_flg包含IPC_NOWAIT位。
B. 成功返回0，失败返回-1。
3) 销毁/控制信号量
int semctl (int semid, int semnum, int cmd);
int semctl (int semid, int semnum, int cmd,
union semun arg);
union semun {
int val; // Value for SETVAL
struct semid_ds* buf; // Buffer for IPC_STAT, IPC_SET
unsigned short* array; // Array for GETALL, SETALL
struct seminfo* __buf; // Buffer for IPC_INFO
};
struct semid_ds {
struct ipc_perm sem_perm; // Ownership and permissions
time_t sem_otime; // Last semop time
time_t sem_ctime; // Last change time
unsigned short sem_nsems; // No. of semaphores in set
};
struct ipc_perm {
key_t __key; // 键值
uid_t uid; // 有效属主ID
gid_t gid; // 有效属组ID
uid_t cuid; // 有效创建者ID
gid_t cgid; // 有效创建组ID
unsigned short mode; // 权限字
unsigned short __seq; // 序列号
};
A. cmd取值：
IPC_STAT - 获取信号量集合的属性，通过arg.buf输出。
IPC_SET - 设置信号量集合的属性，通过arg.buf输入，
仅以下四个属性可设置：
semid_ds::sem_perm.uid
semid_ds::sem_perm.gid
semid_ds::sem_perm.mode
IPC_RMID - 立即删除信号量集合。
此时所有阻塞在对该信号量集合的，
semop函数调用，都会立即返回失败，
errno为EIDRM。
GETALL - 获取信号量集合中每个信号量的计数值，
通过arg.array输出。
SETALL - 设置信号量集合中每个信号量的计数值，
通过arg.array输入。
GETVAL - 获取信号量集合中，
第semnum个信号量的计数值，
通过返回值输出。
SETVAL - 设置信号量集合中，
第semnum个信号量的计数值，
通过arg.val输入。
注意：只有针对信号量集合中具体某个信号量的操作，
才会使用semnum参数。针对整个信号量集合的操作，
会忽略semnum参数。
B. 成功返回值因cmd而异，失败返回-1。
3. 编程模型
~~~~~~~~~~~
------+------------+--------+------------+------
步骤 | 进程A | 函数 | 进程B | 步骤
------+------------+--------+------------+------
1 | 创建信号量 | semget | 获取信号量 | 1
2 | 初始信号量 | semctl | ---- |
3 | 加减信号量 | semop | 加减信号量 | 2
4 | 销毁信号量 | semctl | ---- |
------+------------+--------+------------+------
范例：csem.c、gsem.c
七、IPC命令
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1. 显示
~~~~~~~
ipcs -m - 显示共享内存(m: memory)
ipcs -q - 显示消息队列(q: queue)
ipcs -s - 显示信号量(s: semphore)
ipcs -a - 显示所有IPC对象(a: all)
2. 删除
~~~~~~~
ipcrm -m ID - 删除共享内存
ipcrm -q ID - 删除消息队列
ipcrm -s ID - 删除信号量