一.為什么進(jìn)程間需要通信？

1).數(shù)據(jù)傳輸

一個進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個進(jìn)程;

2).資源共享

多個進(jìn)程之間共享同樣的資源;

3).通知事件

一個進(jìn)程需要向另一個或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它們發(fā)生了某種事件;

4).進(jìn)程控制

有些進(jìn)程希望完全控制另一個進(jìn)程的執(zhí)行(如Debug進(jìn)程)，該控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個進(jìn)程的所有操作，并能夠及時知道它的狀態(tài)改變。

基于以上幾個原因，所以就有了進(jìn)程間通信的概念，那仫進(jìn)程間通信的原理是什仫呢？目前有哪幾種進(jìn)程間通信的機(jī)制？他們是如何實現(xiàn)進(jìn)程間通信的呢？在這篇文章中我會就這幾個問題進(jìn)行詳細(xì)的講解。

二.進(jìn)程間通信的原理

每個進(jìn)程各自有不同的用戶地址空間,任何一個進(jìn)程的全局變量在另一個進(jìn)程中都看不到，所以進(jìn)程之間要交換數(shù)據(jù)必須通過內(nèi)核,在內(nèi)核中開辟一塊緩沖區(qū),進(jìn)程1把數(shù)據(jù)從用戶空間拷到內(nèi)核緩沖區(qū),進(jìn)程2再從內(nèi)核緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走,內(nèi)核提供的這種機(jī)制稱為進(jìn)程間通信機(jī)制。

主要的過程如下圖所示：

三.進(jìn)程間通信的幾種方式

1.管道(pipe)

管道又名匿名管道，這是一種最基本的IPC機(jī)制，由pipe函數(shù)創(chuàng)建：

#include

int pipe(int pipefd[2]);

返回值：成功返回0，失敗返回-1；

調(diào)用pipe函數(shù)時在內(nèi)核中開辟一塊緩沖區(qū)用于通信,它有一個讀端，一個寫端：pipefd[0]指向管道的讀端，pipefd[1]指向管道的寫端。所以管道在用戶程序看起來就像一個打開的文件,通過read(pipefd[0])或者write(pipefd[1])向這個文件讀寫數(shù)據(jù)，其實是在讀寫內(nèi)核緩沖區(qū)。

使用管道的通信過程：

1.父進(jìn)程調(diào)用pipe開辟管道,得到兩個文件描述符指向管道的兩端。

2.父進(jìn)程調(diào)用fork創(chuàng)建子進(jìn)程,那么子進(jìn)程也有兩個文件描述符指向同一管道。

3.父進(jìn)程關(guān)閉管道讀端,子進(jìn)程關(guān)閉管道寫端。父進(jìn)程可以往管道里寫,子進(jìn)程可以從管道里讀,管道是用環(huán)形隊列實現(xiàn)的,數(shù)據(jù)從寫端流入從讀端流出,這樣就實現(xiàn)了進(jìn)程間通信。

管道出現(xiàn)的四種特殊情況：

1.寫端關(guān)閉，讀端不關(guān)閉；

那么管道中剩余的數(shù)據(jù)都被讀取后,再次read會返回0,就像讀到文件末尾一樣。

2.寫端不關(guān)閉，但是也不寫數(shù)據(jù)，讀端不關(guān)閉；

此時管道中剩余的數(shù)據(jù)都被讀取之后再次read會被阻塞，直到管道中有數(shù)據(jù)可讀了才重新讀取數(shù)據(jù)并返回；

3.讀端關(guān)閉，寫端不關(guān)閉；

此時該進(jìn)程會收到信號SIGPIPE，通常會導(dǎo)致進(jìn)程異常終止。

4.讀端不關(guān)閉，但是也不讀取數(shù)據(jù)，寫端不關(guān)閉；

此時當(dāng)寫端被寫滿之后再次write會阻塞，直到管道中有空位置了才會寫入數(shù)據(jù)并重新返回。

使用管道的缺點：

1.兩個進(jìn)程通過一個管道只能實現(xiàn)單向通信，如果想雙向通信必須再重新創(chuàng)建一個管道或者使用sockpair才可以解決這類問題；

2.只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信，例如父子，兄弟進(jìn)程。

一個簡單的關(guān)于管道的例子：

代碼實現(xiàn)如下：

#include

#include

#include

#include

int main()

{

int _pipe[2]={0,0};

int ret=pipe(_pipe); //創(chuàng)建管道

if(ret == -1)

{

perror("create pipe error");

return 1;

}

printf("_pipe[0] is %d,_pipe[1] is %dn",_pipe[0],_pipe[1]);

pid_t id=fork(); //父進(jìn)程fork子進(jìn)程

if(id < 0)

{

perror("fork error");

return 2;

}

else if(id == 0) //child,寫

{

printf("child writingn");

close(_pipe[0]);

int count=5;

const char *msg="i am from XATU";

while(count--)

{

write(_pipe[1],msg,strlen(msg));

sleep(1);

}

close(_pipe[1]);

exit(1);

}

else //father,讀

{

printf("father readingn");

close(_pipe[1]);

char msg[1024];

int count=5;

while(count--)

{

ssize_t s=read(_pipe[0],msg,sizeof(msg)-1);

if(s > 0){

msg[s]='?';

printf("client# %sn",msg);

}

else{

perror("read error");

exit(1);

}

}

if(waitpid(id,0,NULL) != -1){

printf("wait successn");

}

}

return 0;

}

2.命名管道(FIFO)

上一種進(jìn)程間通信的方式是匿名的，所以只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信，命名管道的出現(xiàn)正好解決了這個問題。FIFO不同于管道之處在于它提供一個路徑名與之關(guān)聯(lián)，以FIFO的文件形式存儲文件系統(tǒng)中。命名管道是一個設(shè)備文件，因此即使進(jìn)程與創(chuàng)建FIFO的進(jìn)程不存在親緣關(guān)系，只要可以訪問該路徑，就能夠通過FIFO相互通信。

命名管道的創(chuàng)建與讀寫：

1).是在程序中使用系統(tǒng)函數(shù)建立命名管道；

2).是在Shell下交互地建立一個命名管道，Shell方式下可使用mknod或mkfifo命令來創(chuàng)建管道，兩個函數(shù)均定義在頭文件sys/stat.h中；

#include

#include

#include

#include

int mknod(const char *pathname, mode_t mode, dev_t dev);

#include

#include

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

返回值：都是成功返回0，失敗返回-1；

path為創(chuàng)建的命名管道的全路徑名；

mod為創(chuàng)建的命名管道的模式，指明其存取權(quán)限；

dev為設(shè)備值，該值取決于文件創(chuàng)建的種類，它只在創(chuàng)建設(shè)備文件時才會用到；

mkfifo函數(shù)的作用：在文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個文件，該文件用于提供FIFO功能，即命名管道。

命名管道的特點：

1.命名管道是一個存在于硬盤上的文件，而管道是存在于內(nèi)存中的特殊文件。所以當(dāng)使用命名管道的時候必須先open將其打開。

2.命名管道可以用于任何兩個進(jìn)程之間的通信，不管這兩個進(jìn)程是不是父子進(jìn)程，也不管這兩個進(jìn)程之間有沒有關(guān)系。

一個簡單的關(guān)于命名管道的例子：

代碼實現(xiàn)如下：

server.c

#include

#include

#include

#include

#include

void testserver()

{

int namepipe=mkfifo("myfifo",S_IFIFO|0666); //創(chuàng)建一個存取權(quán)限為0666的命名管道

if(namepipe == -1){

perror("mkfifo error");

exit(1);

}

int fd=open("./myfifo",O_RDWR); //打開該命名管道

if(fd == -1){

perror("open error");

exit(2);

}

char buf[1024];

while(1)

{

printf("sendto# ");

fflush(stdout);

ssize_t s=read(0,buf,sizeof(buf)-1); //從標(biāo)準(zhǔn)輸入獲取消息

if(s > 0){

buf[s-1]='?'; //過濾掉從標(biāo)準(zhǔn)輸入中獲取的換行

if(write(fd,buf,s) == -1){ //把該消息寫入到命名管道中

perror("write error");

exit(3);

}

}

}

close(fd);

}

int main()

{

testserver();

return 0;

}

client.c

#include

#include

#include

#include

#include

void testclient()

{

int fd=open("./myfifo",O_RDWR);

if(fd == -1){

perror("open error");

exit(1);

}

char buf[1024];

while(1){

ssize_t s=read(fd,buf,sizeof(buf)-1);

if(s > 0){

printf("client# %sn",buf);

}

else{ //讀失敗或者是讀取到字符結(jié)尾

perror("read error");

exit(2);

}

}

close(fd);

}

int main()

{

testclient();

return 0;

}

3.消息隊列(msg)

由于內(nèi)容較多，以后再詳細(xì)分享

4.信號量(sem)

什仫是信號量？

信號量的本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)操作鎖，用來負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)操作過程中的互斥，同步等功能。

信號量用來管理臨界資源的。它本身只是一種外部資源的標(biāo)識，不具有數(shù)據(jù)交換功能，而是通過控制其他的通信資源實現(xiàn)進(jìn)程間通信?？梢赃@樣理解，信號量就相當(dāng)于是一個計數(shù)器。當(dāng)有進(jìn)程對它所管理的資源進(jìn)行請求時，進(jìn)程先要讀取信號量的值：大于0，資源可以請求；等于0，資源不可以用，這時進(jìn)程會進(jìn)入睡眠狀態(tài)直至資源可用。

當(dāng)一個進(jìn)程不再使用資源時，信號量+1(對應(yīng)的操作稱為V操作)，反之當(dāng)有進(jìn)程使用資源時，信號量-1(對應(yīng)的操作為P操作)。對信號量的值操作均為原子操作。

為什仫要使用信號量？

為了防止出現(xiàn)因多個程序同時訪問一個共享資源而引發(fā)的一系列問題，我們需要一種方法，它可以通過生成并使用令牌來授權(quán)，在任一時刻只能有一個執(zhí)行線程訪問代碼的臨界區(qū)域。

什仫是臨界區(qū)？什仫是臨界資源？

臨界資源：一次只允許一個進(jìn)程使用的資源。

臨界區(qū)：訪問臨界資源的程序代碼片段。

信號量的工作原理？

P(sv)：如果sv的值大于零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進(jìn)程的執(zhí)行等待操作；

V(sv)：如果有其他進(jìn)程因等待sv而被掛起，就讓它恢復(fù)運行，如果沒有進(jìn)程因等待sv而掛起，就給它加1；

舉個例子，就是兩個進(jìn)程共享信號量sv，一旦其中一個進(jìn)程執(zhí)行了P(sv)操作，它將得到信號量，并可以進(jìn)入臨界區(qū)，使sv減1。而第二個進(jìn)程將被阻止進(jìn)入臨界區(qū)，因為當(dāng)它試圖執(zhí)行P(sv)時，sv為0，它會被掛起以等待第一個進(jìn)程離開臨界區(qū)域并執(zhí)行V(sv)釋放信號量，這時第二個進(jìn)程就可以恢復(fù)執(zhí)行了。

與信號量有關(guān)的函數(shù)操作？

1).創(chuàng)建/獲取一個信號量集合

#include

#include

#include

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

返回值：成功返回信號量集合的semid，失敗返回-1。

key:可以用函數(shù)key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);來獲取。

nsems:這個參數(shù)表示你要創(chuàng)建的信號量集合中的信號量的個數(shù)。信號量只能以集合的形式創(chuàng)建。

semflg:同時使用IPC_CREAT和IPC_EXCL則會創(chuàng)建一個新的信號量集合。若已經(jīng)存在的話則返回-1。單獨使用IPC_CREAT的話會返回一個新的或者已經(jīng)存在的信號量集合。

2).信號量結(jié)合的操作

#include

#include

#include

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops,struct timespec *timeout);

返回值：成功返回0，失敗返回-1；

semid：信號量集合的id；

struct sembuf *sops;

struct sembuf

{

unsigned short sem_num; /* semaphore number */

short sem_op; /* semaphore operation */

short sem_flg; /* operation flags */

}

sem_num：為信號量是以集合的形式存在的，就相當(dāng)于所有信號在一個數(shù)組里面，sem_num表示信號量在集合中的編號；

sem_op：示該信號量的操作(P操作還是V操作)。如果其值為正數(shù)，該值會加到現(xiàn)有的信號內(nèi)含值中。通常用于釋放所控資源的使用權(quán)；如果sem_op的值為負(fù)數(shù)，而其絕對值又大于信號的現(xiàn)值，操作將會阻塞，直到信號值大于或等于sem_op的絕對值。通常用于獲取資源的使用權(quán) 。

sem_flg:信號操作標(biāo)志，它的取值有兩種：IPC_NOWAIT和SEM_UNDO。

IPC_NOWAIT:對信號量的操作不能滿足時，semop()不會阻塞，而是立即返回，同時設(shè)定錯誤信息；

SEM_UNDO: 程序結(jié)束時(不管是正常還是不正常)，保證信號值會被設(shè)定；

nsops:表示要操作信號量的個數(shù)。因為信號量是以集合的形式存在，所以第二個參數(shù)可以傳一個數(shù)組，同時對一個集合中的多個信號量進(jìn)行操作。

semop()調(diào)用之前的值。這樣做的目的在于避免程序在異常的情況下結(jié)束未將鎖定的資源解鎖(死鎖)，造成資源永遠(yuǎn)鎖定。

3).int semctl(int semid,int semnum,int cmd,...);

semctl()在semid標(biāo)識的信號量集合上，或者該信號量集合上第semnum個信號量上執(zhí)行cmd指定的控制命令。根據(jù)cmd不同，這個函數(shù)有三個或四個參數(shù)，當(dāng)有第四個參數(shù)時，第四個參數(shù)的類型是union。

union semun{

int val; //使用的值

struct semid_ds *buf; //IPC_STAT、IPC_SET使用緩存區(qū)

unsigned short *array; //GETALL、SETALL使用的緩存區(qū)

struct seminfo *__buf; //IPC_INFO(linux特有)使用緩存區(qū)

};

返回值：成功返回0，失敗返回-1；

semid:信號量集合的編號。

semnum:信號量在集合中的標(biāo)號。

4).信號量類似消息隊列也是隨內(nèi)核的，除非用命令才可以刪除該信號量

ipcs -s //查看創(chuàng)建的信號量集合的個數(shù)

ipcrm -s semid //刪除一個信號量集合

一個簡單的關(guān)于信號量的例子？

父進(jìn)程中打印BB，子進(jìn)程中打印AA。利用信號量機(jī)制使得AA和BB之間不出現(xiàn)亂序。此時的顯示器就是臨界資源，我們需要在父子進(jìn)程的臨界區(qū)進(jìn)行加鎖。

comm.h

#ifndef COMM_H

#define COMM_H

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define PATHNAME "."

#define PROJID 0x6666

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(Linux-specific) */

};

int CreateSemSet(int num);//創(chuàng)建信號量

int GetSemSet(); //獲取信號量

int InitSem(int sem_id,int which);

int P(int sem_id,int which); //p操作

int V(int sem_id,int which); //v操作

int DestroySemSet(int sem_id);//銷毀信號量

#endif //COMM_H

comm.c

#include"comm.h"

static commSemSet(int num,int flag)

{

key_t key=ftok(PATHNAME,PROJID);

if(key == -1)

{

perror("ftok error");

exit(1);

}

int sem_id=semget(key,num,flag);

if(sem_id == -1)

{

perror("semget error");

exit(2);

}

return sem_id;

}

int CreateSemSet(int num)

{

return commSemSet(num,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);

}

int InitSem(int sem_id,int which)

{

union semun un;

un.val=1;

int ret=semctl(sem_id,which,SETVAL,un);

if(ret < 0)

{

perror("semctl");

return -1;

}

return 0;

}

int GetSemSet()

{

return commSemSet(0,IPC_CREAT);

}

static int SemOp(int sem_id,int which,int op)

{

struct sembuf buf;

buf.sem_num=which;

buf.sem_op=op;

buf.sem_flg=0; //

int ret=semop(sem_id,&buf,1);

if(ret < 0)

{

perror("semop error");

return -1;

}

return 0;

}

int P(int sem_id,int which)

{

return SemOp(sem_id,which,-1);

}

int V(int sem_id,int which)

{

return SemOp(sem_id,which,1);

}

int DestroySemSet(int sem_id)

{

int ret=semctl(sem_id,0,IPC_RMID);

if(ret < 0)

{

perror("semctl error");

return -1;

}

return 0;

}

SemSet.c

#include"comm.h"

void testSemSet()

{

int sem_id=CreateSemSet(1); //創(chuàng)建信號量

InitSem(sem_id,0);

pid_t id=fork();

if(id < 0){

perror("fork error");

exit(1);

}

else if(id == 0){ //child，打印AA

printf("child is running,pid=%d,ppid=%dn",getpid(),getppid());

while(1)

{

P(sem_id,0); //p操作，信號量的值減1

printf("A");

usleep(10031);

fflush(stdout);

printf("A");

usleep(10021);

fflush(stdout);

V(sem_id,0); //v操作，信號量的值加1

}

}

else //father，打印BB

{

printf("father is running,pid=%d,ppid=%dn",getpid(),getppid());

while(1)

{

P(sem_id,0);

printf("B");

usleep(10051);

fflush(stdout);

printf("B");

usleep(10003);

fflush(stdout);

V(sem_id,0);

}

wait(NULL);

}

DestroySemSet(sem_id);

}

int main()

{

testSemSet();

return 0;

}

5.共享內(nèi)存(shm)

共享內(nèi)存的原理圖：

與共享內(nèi)存有關(guān)的函數(shù)：

1). 創(chuàng)建共享內(nèi)存

#include

#include

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

返回值：成功返回共享內(nèi)存的id，失敗返回-1；

key：和上面介紹的信號量的semget函數(shù)的參數(shù)key一樣；

size：表示要申請的共享內(nèi)存的大小，一般是4k的整數(shù)倍；

flags：IPC_CREAT和IPC_EXCL一起使用，則創(chuàng)建一個新的共享內(nèi)存，否則返回-1。IPC_CREAT單獨使用時返回一個共享內(nèi)存，有就直接返回，沒有就創(chuàng)建。

2).掛接函數(shù)

void *shmat(int shmid);

返回值：返回這塊內(nèi)存的虛擬地址；

shmat的作用是將申請的共享內(nèi)存掛接在該進(jìn)程的頁表上，是將虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存相對應(yīng)；

3).去掛接函數(shù)

int shmdt(const void *shmaddr);

返回值：失敗返回-1；

shmdt的作用是去掛接，將這塊共享內(nèi)存從頁表上剝離下來，去除兩者的映射關(guān)系；

shmaddr:表示這塊物理內(nèi)存的虛擬地址。

4).int shmctl(int shmid,int cmd,const void* addr);

shmctl用來設(shè)置共享內(nèi)存的屬性。當(dāng)cmd是IPC_RMID時可以用來刪除一塊共享內(nèi)存。

5).共享內(nèi)存類似消息隊列和信號量，它的生命周期也是隨內(nèi)核的，除非用命令才可以刪除該共享內(nèi)存；

ipcs -m //查看創(chuàng)建的共享內(nèi)存的個數(shù)

ipcrm -m shm_id //刪除共享內(nèi)存

一個簡單的關(guān)于共享內(nèi)存的例子：

利用共享內(nèi)存實現(xiàn)在serve這個進(jìn)程中向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)A，從client讀出數(shù)據(jù)。

comm.h

#ifndef COMM

#define COMM

#include

#include

#include

#include

#include

#define PATHNAME "."

#define PROCID 0x6666

#define SIZE 4096*1

int CreatShm();

int GetShm();

//int AtShm();

//int DtShm();

int DestroyShm(int shm_id);

#endif

comm.c

#include"comm.h"

static int CommShm(int flag)

{

key_t key=ftok(PATHNAME,PROCID);

if(key < 0)

{

perror("ftok");

return -1;

}

int shm_id=shmget(key,SIZE,flag);

if(shm_id < 0)

{

perror("shmget");

return -2;

}

return shm_id;

}

int CreatShm()

{

return CommShm(IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);

}

int GetShm()

{

return CommShm(IPC_CREAT);

}

//int AtShm();

//int DtShm();

int DestroyShm(int shm_id)

{

int ret=shmctl(shm_id,IPC_RMID,NULL);

if(ret < 0)

{

perror("shmctl");

return -1;

}

return 0;

}

server.c

#include"comm.h"

void testserver()

{

int shm_id=CreatShm();

printf("shm_id=%dn",shm_id);

char *mem=(char *)shmat(shm_id,NULL,0);

while(1)

{

sleep(1);

printf("%sn",mem);

}

shmdt(mem);

DestroyShm(shm_id);

}

int main()

{

testserver();

return 0;

}

client.c

#include"comm.h"

void testclient()

{

int shm_id=GetShm();

char *mem=(char *)shmat(shm_id,NULL,0);

int index=0;

while(1)

{

sleep(1);

mem[index++]='A';

index %= (SIZE-1);

mem[index]='?';

}

shmdt(mem);

DestroyShm(shm_id);

}

int main()

{

testclient();

return 0;

}

共享內(nèi)存的特點：

共享內(nèi)存是這五種進(jìn)程間通信方式中效率最高的。但是因為共享內(nèi)存沒有提供相應(yīng)的互斥機(jī)制，所以一般共享內(nèi)存都和信號量配合起來使用。

為什仫共享內(nèi)存的方式比其他進(jìn)程間通信的方式效率高？

消息隊列，F(xiàn)IFO，管道的消息傳遞方式一般為 ：

1).服務(wù)器獲取輸入的信息；

2).通過管道，消息隊列等寫入數(shù)據(jù)至內(nèi)存中，通常需要將該數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核中；

3).客戶從內(nèi)核中將數(shù)據(jù)拷貝到自己的客戶端進(jìn)程中；

4).然后再從進(jìn)程中拷貝到輸出文件；

上述過程通常要經(jīng)過4次拷貝，才能完成文件的傳遞。

而共享內(nèi)存只需要：

1).輸入內(nèi)容到共享內(nèi)存區(qū)

2).從共享內(nèi)存輸出到文件

上述過程不涉及到內(nèi)核的拷貝，這些進(jìn)程間數(shù)據(jù)的傳遞就不再通過執(zhí)行任何進(jìn)入內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用來傳遞彼此的數(shù)據(jù)，節(jié)省了時間，所以共享內(nèi)存是這五種進(jìn)程間通信方式中效率最高的。