【牛客网C++服务器项目学习】Day6-有名管道、内存映射、信号机制

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有名管道：

有名管道特点：
- 有名管道是FIFO文件，存在于文件系统中，可以通过文件路径名来指出。
- 管道文件仅仅是文件系统中的标示，并不在磁盘上占据空间。在使用时，在内存上开辟空间，作为两个进程数据交互的通道。
- 有名管道可以在不具有亲缘关系的进程间进行通信。
相关接口：
- 在shell中使用mkfifo 命令
  mkfifo filename
- int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
  - pathname：即将创建的FIFO文件路径，如果文件存在需要先删除。
  - mode：和open()中的参数相同。
使用方式：
- 1）使用open函数打开管道文件。如果一个进程以只读(只写)打开，那么这个进程会被阻塞到open，直到另一个进程以只写(只读)或者读写。
- 2）使用read函数读取内容。read读取普通文件，read不会阻塞。而read读取管道文件，read会阻塞运行，直到管道中有数据或者所有的写端关闭。
- 3）使用write函数发送内容，使用close函数关闭打开的文件。
有名管道和无名管道的异同点
- 1、相同点
  - open打开管道文件以后，在内存中开辟了一块空间，管道的内容在内存中存放，有两个指针—-头指针（指向写的位置）和尾指针（指向读的位置）指向它。读写数据都是在给内存的操作，并且都是半双工通讯。
  - 2、区别。有名在任意进程之间使用，无名在父子进程之间使用。
- 拓展：全双工、半双工、单工通讯的区别：
  - 单工：方向是固定的，只有一个方向可以写，例如广播。
  - 半双工：方向不固定，但在某一刻只能有一个方向进行写，例如对讲机。
  - 全双工：两个方向都可以同时写，例如打电话。

内存映射函数 mmap（）函数

概述
内存映射，简而言之就是将用户空间的一段内存区域映射到内核空间，映射成功后，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，同样，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间<---->用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。与此同时，两个进程，都对同一个文件进行内存映射的话，相当于使用共享内存进程IPC通信。

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

功能：将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。mmap在用户空间映射调用系统中作用很大。
参数：
- 参数length：代表将文件长度映射到内存。
- 参数prot：映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
  PROT_EXEC 映射区域可被执行
  PROT_READ 映射区域可被读取
  PROT_WRITE 映射区域可被写入
  PROT_NONE 映射区域不能存取
- 参数flags：影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
  MAP_FIXED 如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。
  MAP_SHARED对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。
  MAP_PRIVATE 对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
  MAP_ANONYMOUS建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
  MAP_DENYWRITE只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
  MAP_LOCKED 将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。
- 参数fd：要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。有些系统不支持匿名内存映射，则可以使用fopen打开/dev/zero文件，然后对该文件进行映射，可以同样达到匿名内存映射的效果。
- 参数offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页大小的整数倍。
返回值：若映射成功则返回映射区的内存起始地址，否则返回MAP_FAILED(－1)，错误原因存于errno 中。
内存映射的步骤:
- 用open系统调用打开文件, 并返回描述符fd.
- 用mmap建立内存映射, 并返回映射首地址指针start.
- 对映射(文件)进行各种操作, 显示(printf), 修改(sprintf).
- 用munmap(void *start, size_t lenght)关闭内存映射.
- 用close系统调用关闭文件fd.
UNIX网络编程第二卷进程间通信对mmap函数进行了说明。该函数主要用途有三个：
1、将一个普通文件映射到内存中，通常在需要对文件进行频繁读写时使用，这样用内存读写取代I/O读写，以获得较高的性能；
2、将特殊文件进行匿名内存映射，可以为关联进程提供共享内存空间；
3、为无关联的进程提供共享内存空间，一般也是将一个普通文件映射到内存中。

信号

信号的概念

信号机制是一种使用信号来进行进程之间传递消息的方法，信号的全称为软中断信号，简称软中断。信号的本质是软件层次上对中断的一种模拟（软中断）。它是一种异步通信的处理机制，事实上，进程并不知道信号何时到来。

在头文件<signal.h>中定义了64种信号，这些信号的名字都以SIG开头，且都被定义为正整数，称为信号编号。可以用“kill -l”查看信号的具体名称。

信号是linux系统为了响应某些状况而产生的事件。进程收到信号后应该采取相应的动作

哪些情况会引发信号

1.键盘事件 ctrl +c ctrl +\

2.非法内存如果内存管理出错，系统就会发送一个信号进行处理

3.硬件故障同样的，硬件出现故障系统也会产生一个信号

4.环境切换比如说从用户态切换到其他态，状态的改变也会发送一个信号，这个信号会告知给系统

怎样查看信号呢？

下面我把最常用到的信号给大家解释一下

(2) SIGINT ctrl +c 终止信号

(3) ctrl +\ 暂停信号，放入后台

(4) 非法指令

（5） abort 进程异常终止

(7) SIGBUS （虚实关系建立）总线错误（从写的位置到物理内存，操作系统没有将磁盘的开始位置到物理内存之间建立联系 mmap(把虚拟内存和磁盘文件的关系映射起来，如果磁盘大小大于0，就建立这种关系

(9) SIGKILL kill - 9 pid 杀死进程

(11) SIGSEGV 段错误

（13）管道破裂

（14）闹钟

（15）缺省终止某个进程，终止掉

（17）子进程死的时候会给父进程发送这个信号

（19）进程暂停

（23） SIGURG 紧急数据

（29）异步 IO

进程收到信号的三种处理方式

默认：如果是系统默认的话，那就会终止这个进程

忽略：信号来了我们不处理，装作没看到 SIGKILL SIGSTOP 不能忽略

捕获并处理：当信号来了，执行我们自己写的代码（捕获信号这个动作是需要我们完成的） SIGKILL SIGSTOP 不能捕获

发送信号：

kill -信号值 pid

int kill(int pid,int signum)

pid > 0 :发送给pid进程

pid = 0 ：调用者所在进程组的任一进程

pid = -1: 有权发送的任何一个进程，除了1

pid < -1 |pid|进程组所有的进程

进程组：进程组中有若干个进程

用管道连接的进程， fork创建的父子进程都属于同一个进程组

给自己发信号

raise（ int signum ）

kill(getpid() ,signum)

闹钟程序alarm（）

（1）引用头文件：#include <unistd.h>;

（2）函数标准式：unsigned int alarm(unsigned int seconds);

（3）功能与作用：alarm()函数的主要功能是设置信号传送闹钟，即用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds秒数后发送给目前的进程。如果未设置信号SIGALARM的处理函数，那么alarm()默认处理终止进程。

（4）函数返回值：如果在seconds秒内再次调用了alarm函数设置了新的闹钟，则后面定时器的设置将覆盖前面的设置，即之前设置的秒数被新的闹钟时间取代；当参数seconds为0时，之前设置的定时器闹钟将被取消，并将剩下的时间返回。

关于alarm函数的测试文章地址

定时器程序

在linux c编程中，setitimer是一个比较常用的函数，可用来实现延时和定时的功能，网上有各种零零散散的用法说明，都只提到了个别用法，今天抽空实践整理了一份比较详细的：

使用时需要引入的头文件：

#include <sys/time.h>
setitimer函数原型：
int setitimer(int which, const struct itimerval *new_value,
            struct itimerval *old_value);

其中which参数表示类型，可选的值有：

ITIMER_REAL：以系统真实的时间来计算，它送出SIGALRM信号。

ITIMER_VIRTUAL：以该进程在用户态下花费的时间来计算，它送出SIGVTALRM信号。

ITIMER_PROF：以该进程在用户态下和内核态下所费的时间来计算，它送出SIGPROF信号。

紧接着的new_value和old_value均为itimerval结构体，先看一下itimerval结构体定义：

struct itimerval {
    
    
    struct timeval it_interval; /* next value */
    struct timeval it_value;    /* current value */
};

struct timeval {
    
    
    time_t      tv_sec;         /* seconds */
    suseconds_t tv_usec;        /* microseconds */
};

itimeval又是由两个timeval结构体组成，timeval包含tv_sec和tv_usec两部分，其中tv_se为秒，tv_usec为微秒(即1/1000000秒)

其中的new_value参数用来对计时器进行设置，it_interval为计时间隔，it_value为延时时长，下面例子中表示的是在setitimer方法调用成功后，延时1微秒便触发一次SIGALRM信号，以后每隔200毫秒触发一次SIGALRM信号。

settimer工作机制是，先对it_value倒计时，当it_value为零时触发信号，然后重置为it_interval，继续对it_value倒计时，一直这样循环下去。

基于此机制，setitimer既可以用来延时执行，也可定时执行。

如果it_interval为零，只会延时，不会定时（也就是说只会触发一次信号)。

old_value参数，通常用不上，设置为NULL，它是用来存储上一次setitimer调用时设置的new_value值。

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