IPC（进程间通信）详解

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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bi必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间放至内核缓冲区，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的特殊方法，如：文件（因为两个进程共享打开的文件描述符，即虚拟地址空间内核态中的PCB映射到物理地址空间中的同一块地方）、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等，有些方法已经被淘汰，现在常用的进程间通信方法有：
**
1.管道（使用最简单）
2.信号（开销最小）
3.共享映射区MMAP（无血缘关系的IPC）
4.本地套接字（最稳定）
**

管道

作用于有血缘关系的进程间通信，调用pipe函数即可创建一个管道，并且打开了读端和写端的文件描述符，并且通过函数的传入参数返回打开的文件描述符。

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2])

// 成功返回0，失败返回-1

管道的特质：
a）本质是一个伪文件（Linux中7中文件类型之一，实质为内核缓冲区）
b）由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
c）规定数据从管道的写端流入，读端流出
管道的原理：管道实质为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区（4KB，可以用ulimit -a命令查看，结果是 pipe size 512 bytes 8 ，其中，512代表一个扇区的大小，8表示用了8个扇区，所以是4KB，大小可调节）实现。
管道的局限性：
a）数据能自己读不能自己写
b）数据一旦被读走，便不存在于管道中
c）由于管道采用双向半双工通信方式（数据的流动方向是单向的称之为半双工，双向半双工是指数可以从A端读B端写也可以从B端读A端写，双向全双工，即两端都可读可写，比如电话通话，只读不写或者只写不读称为单工通信，如BB机），因此，数据只能在一个方向上流动
d）只能在有公共祖先的进程间使用pipe
对于无血缘关系的进程，可以使用FIFO实现通信，也是管道的一种
代码实现：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(void){
    int fd[2];//作为传入参数，接收文件描述符
    pid_t pid;
    
    int ret = pipe(fd);
    if(-1 == ret){
        perror("pipe error:");
        exit(1);
    }
    pid = fork();
    if(-1 == pid){
        perror("fork error:");
        exit(1);
    }else if(0 == pid){//子进程 读数据
        //由于此时子进程掌握着管道的读写两端，因此需要关闭写端保障单>向通信
        //认为规定,fd[0]为读端，fd[1]为写端
        close(fd[1]);
        char buf[1024];
        ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
        if(0 == ret){
            printf("waitting write-----\n");
        }
        write(STDOUT_FILENO,buf,ret);
    }else{
        close(fd[0]);
        write(fd[1],"hello pipe\n",strlen("hello pipe\n"));
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

共享内存

mmap函数，用于父子进程有血缘关系的IPC，作用是把磁盘上的文件映射到内存中，完成内存和磁盘文件间的一致性，也可用于父子进程间通信。

参数：
addr：建立映射区的首地址，有Linux内核指定，一般为NULL
length：欲创建映射区的大小
port：映射区权限PROT_READ PROT_WRITE PROT_READ|PORT_WRITE
flags：标志位参数，值为MAP_SHARED时，会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上，值为MAP_PRIVATE时，不会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上
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，即会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上）
返回值：成功返回映射区首地址，失败返回MAP_FAILD宏

mmap创建映射区实例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>

int main(void){
    int len,ret;
    int fd = open("mytest.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
    char *p = NULL;
    if(fd < 0){
        perror("open error:");
        exit(1);
    }
    if(-1 == len){
        perror("ftruncate error:");
    }
    p = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap error:");
        exit(1);
    }
    strcpy(p,"abc");//向共享内存中写数据
    close(fd);
    ret = munmap(p,4);
    if(-1 == ret){
        perror("munmap error:");
    }
    return 0;
}

mmap实现父子进程共享实例

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>

int var = 100;

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

    fd = open("temp",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644);
    if(fd < 0){
        perror("open error:");
        exit(1);
    }
    unlink("temp"); //删除临时文件的目录项，使之具备被释放的条件
    ftruncate(fd,4);

    p = (int *)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    close(fd); //映射区建立完毕，即可关闭文件

    pid = fork();
    if(pid < 0){
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else if(0 == pid){
        *p = 2000;
        var = 1000;
        printf("child,*p = %d, var = %d\n",*p, var);
    }else{
        sleep(1);
        printf("parent,*p = %d,var = %d\n",*p, var);
        wait(NULL);

        int ret = munmap(p,4); //释放映射区
        if(-1 == ret){
            perror("munmap error：");
            exit(1);
        }
    }
    return 0;
}

p = (int *)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);语句中，将倒数第三个参数设置为MAP_PRIVATE，因此父子进程独占各自的映射区，子进程将映射区的值改为2000，父进程的p值不变。如果把倒数第二个参数改为MAP_SHARED，才能完成父子进程间通信，结果如下

其中，两个结果的父进程var值为100，子进程var值为1000，因为父子进程共享文件描述符和mmap映射区，0到3G的虚拟地址中的用户态为读时共享写时复制。因此全局变量var在父子进程中各自不影响。
可以发现上面代码中的temp文件很鸡肋，只是用作创建映射区的时候用一下，然后立刻就释放了，为了解决这一问题，便出现了匿名映射

匿名映射

解决了创建映射区必须依赖一个文件才可以实现的鸡肋问题。
int *p = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);
4可以根据实际大小改变

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>

int var = 100;

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

    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();
    if(pid < 0){
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else if(0 == pid){
        *p = 2000;
        var = 1000;
        printf("child,*p = %d, var = %d\n",*p, var);
    }else{
        sleep(1);
        printf("parent,*p = %d,var = %d\n",*p, var);
        wait(NULL);

        int ret = munmap(p,4); //释放映射区
        if(-1 == ret){
            perror("munmap error：");
            exit(1);
        }
    }
    return 0;
}