Linux系统编程——进程间通信（一）

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Linux系统主要的进程间通信机制如下：

1. 无名管道（Pipe）及命名管道（Named pipe）：无名管道可用于具有父子关系进程间的通信；命名管道用于无父子关系的进程之间的通信。无父子关系的进程可将信息发送到某个命名管道中，通过管道名读取信息
2. 信号（Signal）：进程间的高级通信方式，用于通知其他进程有何种事件发生。此外，进程可以向自身发送信号，还可获得Linux内核发出的信号。
3. 报文（Message）队列：又称为消息队列，是以POSIX和System V为标准的通信机制。报文队列克服了信号的数据结构过于简单的问题，同时也解决了管道数据流无格式和缓冲区长度受限等问题。报文队列规定了每个进程的权限，避免了仿冒信息的出现。
4. 共享内存：让多个进程访问同一个内存空间，适合于数量极大和数据结构极为复杂的进程间通信。牺牲了系统的安全性，通常与其他进程间通信形式混合使用，并避免以根用户权限执行。
5. 信号量（Semaphore）：用于解决进程的同步和相关资源抢占而设计的
6. 套接字（Socket）：一种数据访问机制，不仅可以用于进程间通信，还可用于网络通信。
7. D—Bus：一种高级的进程间通信机制，以套接字机制为基础实现

一 进程间使用管道通信

管道本身是一种数据结构，遵循先进先出的原则。先进入管道的数据，也能先从管道中读出。数据一旦读取后，就会在管道中自动删除。
管道通信以管道数据结构作为内部数据存储方式，以文件系统作为数据存储媒体。

1.pipe系统调用

pipe()函数别定义在头文件unistd.h中，它的一般形式是：

int pipe(int filedes[2]);

pipe系统调用需要打开两个文件，文件标识符通过参数传递给pipe()函数。文件描述符filedes[0]用来读取数据，filedes[1]用来写数据。调用成功时，返回值为0，错误时返回-1。
管道的工作方式可以总结为以下3个步骤

（1）将数据写入管道

使用的是write()函数，与写入普通文件的操作方法一样。不同的是管道长度受到限制，管道满时写入操作会被阻塞。执行写操作的进程进入睡眠状态，直到管道中的数据被读取。fcntl()函数可将管道设置为非阻塞模式，管道满时，write()函数的返回值为0。如果写入数据长度小于管道数据，则要求一次写入完成，若大于管道长度，写完管道长度的数据时，write()将被阻塞。

（2）从管道读取数据

读取数据使用read()函数实现，读取的顺序与写入顺序相同。当数据被读取后，这些数据将自动被管道清除。因此，使用管道通信的方式只能是一对一，不能由一个进程同时向多个进程传递同一数据。
**如果读取的管道为空，并且管道写入端口是打开的，read()函数将被阻塞。**读取操作的进程进入睡眠状态，直到有数据写入管道为止。fcntl()函数也可将管道读取模式设置为非阻塞。

（3）关闭管道

管道虽然有两个端口，但只有一个端口能被打开，避免了同时对管道进行读和写的操作。关闭端口使用的是close()函数，关闭读端口时，在管道上进行写操作的进程将收到SIGPIPE信号，关闭写端口时，进行读操作的read()函数将返回0。如下例所示：

#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
	int fd[2],cld_pid,len;
	char buf[200];
	int status;
	if(pipe(fd)==-1)
	{
		perror("创建管道出错");
		exit(1);
	}
	if((cld_pid=fork())==0)
	{
		printf("\n进入子进程\n");
		close(fd[1]);
		len=read(fd[0],buf,sizeof(buf));
		buf[len]=0;
		printf("子进程从管道中读取的数据是：\n%s",buf);
		printf("\n退出子进程\n");
		exit(0);
	}
	else
	{
		printf("\n进入父进程\n");
		close(fd[0]);
		sprintf(buf,"父进程为子进程(PID=%d)创建该数据\n123\t456\t789",cld_pid);
		write(fd[1],buf,strlen(buf));
		printf("\n退出父进程\n");
		//exit(0);
		
	}
	wait(&status);
	return 0;
}

输出结果如下：

上述程序中首先创建了一个管道，并且将管道的文件标识符传递给fp[]数组。该数组有两个元素，fd[0]是读取管道的端口，fd[1]是写入管道的端口。然后，通过fork()系统调用创建子进程。父进程的操作是向管道写入数据，子进程的操作是读取管道内的数据，最后子进程将所读数据显示到终端上。
sprintf()函数是向缓冲区中写入内容。

2.dup系统调用

系统调用dup用来复制一个文件描述符，该操作是通过对u区中文件描述符复制实现的。因此，系统调用dup能让多个文件描述符指向同一文件，便于管道操作。与该调用相关的函数有两个，分别是dup()函数和dup2()函数，一般形式如下：

int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd,int newfd);

• oldfd：原有的文件描述符
• newfd：指定的新文件描述符

两个函数的区别为，dup()函数自动分配新文件描述符，并保证该文件描述符没有被使用。dup2()函数使用newfd参数指定新文件描述符，如果该文件描述符已存在，则覆盖对应的文件描述符。
新旧文件描述符可交换使用，并共享文件锁、文件指针和文件状态。
调用成功时，函数返回值为新文件描述符，否则返回-1。例如下例：

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

int main()
{
	int fd;
	if((fd=open("output",O_CREAT|O_RDWR,0644))==-1)
	{
		perror("打开或创建文件出错");
		return 1;
	}
	close(1);         //标准输出的文件描述符为1
	dup(fd);
	close(fd);
	puts("该行数据将输出到文件中");
	return 0;
}

程序执行结果如下：

上述代码中，标准输出（文件描述符为1）关闭，并将一个普通文件output的文件描述符复制到标准输出上。因为刚关闭了文件描述符，文件描述符表的第一个空表项是1，dup()函数将调用fd的文件描述符复制到该位置上。所以，程序以后的向标准输出写的内容都写到了文件output中。