Linux系统编程--(三)进程间通信
一.进程间通讯
1.1 什么是进程间通信
我们运行起来的进程，相互之间资源是独立的，不能在一个进程中直接访问另一个进程的资源。
但是很多时候不同的进程需要进行信息的交互和状态的传递等，譬如数据传输，一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，或者多个进程间资源共享，或者一个进程需要控制另一个进程的执行，再或者，一个进程要给另一个进程发送消息等，就需要进程间通信( IPC：Inter Processes Communication )。
1.2 进程间通信的方式
进程间通信的方式有很多，文件、管道、信号、共享内存映射、消息队列、套接字、命名管道等。这里说管道pipe，命名管道fifo，共享内存映射。
二.管道PIPE
2.1 管道概述
管道是一种最基本的IPC机制，也称匿名管道、无名管道，应用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。
所有的 UNIX 系统都支持这种通信机制。
管道的本质是一块内核缓冲区，由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
管道是半双工，规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出，当两个进程都终结的时候，管道也自动消失，管道的读端和写端默认都是阻塞的。
管道的数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取，数据只能在一个方向上流动，若要实现双向流动，必须使用两个管道。
只能在有血缘关系的进程间使用管道
创建管道非常简单，调用pipe函数即可
2.2 pipe函数
#include
?
int pipe(int pipefd[2]);
功能：创建无名管道。
?
参数：
pipefd : 为 int 型数组的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符 fd[0] 和 fd[1]。其中 fd[0] 固定用于读管道，而 fd[1] 固定用于写管道。一般文件 I/O的函数都可以用来操作管道(lseek() 除外)。
?
返回值：
成功：0
失败：-1 代码示例
#include
#include
#include
#include
#include
#include /* pipe函数演示 */
int main(){
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
//创建管道if(ret<0){
//创建管道失败
perror("pipe");
return -1;
}pid_t pid = fork();
if(pid < 0){
// 创建进程失败
perror("fork");
return -1;
}else if(pid > 0){
// 父进程
close(fd[0]);
// 父进程写入fd[1]
write(fd[1],"hello",strlen("hello"));
wait(NULL);
}else {
// 子进程读取
char buf[128];
memset(buf,0,sizeof(buf));
int n = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
printf("%s\n",buf);
}
} 2.3 管道的读写行为注意事项 这里假定都是阻塞I/O操作，我们使用管道需要注意以下4种特殊情况：
1) 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了，而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。
2) 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭，而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。
3) 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了，这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。
4) 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭，而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。
默认管道的读写两端为阻塞的IO操作，但也可以设置为非阻塞，方法也很简单，就是使用fcntl函数，设置O_NONBLOCK标志标志。
//获取原来的flags
int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL);
// 设置新的flags
flag |= O_NONBLOCK;
// flags = flags | O_NONBLOCK;
fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);
2.4 查看缓冲区 管道本质是一个内核缓冲区，那么如何查看缓冲区大小呢？
1）ulimit -a
(base) zhaow@zhaow-610:~$ ulimit -a
core file size(blocks, -c) 0
data seg size(kbytes, -d) unlimited
scheduling priority(-e) 0
file size(blocks, -f) unlimited
pending signals(-i) 62944
max locked memory(kbytes, -l) 65536
max memory size(kbytes, -m) unlimited
open files(-n) 1024
pipe size(512 bytes, -p) 8 // 管道缓冲区大小
POSIX message queues(bytes, -q) 819200
real-time priority(-r) 0
stack size(kbytes, -s) 8192
cpu time(seconds, -t) unlimited
max user processes(-u) 62944
virtual memory(kbytes, -v) unlimited
file locks(-x) unlimited
2）fpathconf函数
#include
?
long fpathconf(int fd, int name);
功能：该函数可以通过name参数查看不同的属性值
参数：
fd：文件描述符
name：
_PC_PIPE_BUF，查看管道缓冲区大小
_PC_NAME_MAX，文件名字字节数的上限
返回值：
成功：根据name返回的值的意义也不同。
失败： -1 示例
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include int main(){
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
if(ret <0){
perror("pipe");
return -1;
}
printf("pipe read size==[%ld]\n", fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF));
printf("pipe write size==[%ld]\n", fpathconf(fd[1], _PC_PIPE_BUF));
return 0;
} 三.命名管道（FIFO） 3.1 概述 管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间通信，为了弥补这个缺陷，提出了命名管道（FIFO），也叫有名管道、FIFO文件。
命名管道（FIFO）提供了一个路径名与之关联，以 FIFO 的文件形式存在于文件系统中，这样即使与 FIFO 的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过 FIFO 相互通信，因此，通过 FIFO 不相关的进程也能交换数据。
FIFO是Linux基础文件类型中的一种（文件类型为p，可通过ls -l查看文件类型）。
FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道，进程打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核缓冲区。
3.2 创建fifo 1）命令mkfifo
(base) zhaow@zhaow-610:demo$ mkfifo myfifo
(base) zhaow@zhaow-610:demo$ ls -l
总用量 0
prw-rw-r-- 1 zhaow zhaow 0 8月21 02:42 myfifo//文件类型 p
2）函数mkfifo
#include
#include
?
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
功能：
命名管道的创建。
参数：
pathname : 普通的路径名，也就是创建后 FIFO 的名字。
mode : 文件的权限，与打开普通文件的 open() 函数中的 mode 参数相同。(0666)
返回值：
成功：0状态码
失败：如果文件已经存在，则会出错且返回 -1。3.3 代码示例 进程A 写入
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include int main()
{
//创建fifo文件
// 1.检查是否存在，不存在则创建
int ret = access("./myfifo", F_OK);
if(ret!=0)
{
ret = mkfifo("./myfifo", 0777);
if(ret<0)
{
perror("mkfifo error");
return -1;
}
}//打开文件
int fd = open("./myfifo", O_RDWR);
if(fd<0)
{
perror("open error");
return -1;
}//写fifo文件
int i = 0;
char buf[64];
while(1)
{
memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
sprintf(buf, "%d:%s", i, "hello world");
write(fd, buf, strlen(buf));
sleep(1);
i++;
}close(fd);
return 0;
} 进程B 读取
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include int main(){
// 1.检查要创建的fifo文件是否存在，若不存在则创建
int ret = access("./myfifo",F_OK);
if(ret != 0){
ret = mkfifo("./myfifo",0777);
if(ret < 0){
perror("mkfifo");
return -1;
}
}// 打开fifoint fd = open("./myfifo",O_RDWR);
if(fd<0){
perror("open");
return -1;
}// 读取
int n;
char buf[128];
while (1)
{
memset(buf,0x00,sizeof(buf));
n = read(fd,buf,sizeof(buf));
printf("buf=[%s]\n",buf);
}close(fd);
return 0;
} 四.共享存储映射 4.1 概述 【Linux系统编程--(三)进程间通信】存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 就是使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。
从缓冲区中取数据，就如同读文件中的相应字节；同样，将数据写入缓冲区，则会将数据写入文件。
4.2 存储映射函数 1)mmap
#include
?
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
1 用途:一个文件或者其它对象映射进内存)
2 参数说明：
addr :指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定
length：映射到内存的文件长度
prot：映射区的保护方式, 常用的三种
1) 读：PROT_READ
2) 写：PROT_WRITE
3) 读写：PROT_READ | PROT_WRITE
flags：映射区的特性, 可以是
1) MAP_SHARED : 写入映射区的数据会复制回文件, 且允许其他映射该文件的进程共享。
2) MAP_PRIVATE : 对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy - on - write), 对此区域所做的修改不会写回原文件。
fd：由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。
offset：以文件开始处的偏移量, 必须是4k的整数倍, 通常为0, 表示从文件头开始映射
返回值：
成功：返回创建的映射区首地址
失败：MAP_FAILED宏
?2)munmap
#include
?
int munmap(void *addr, size_t length);
功能：
释放内存映射区
参数：
addr：使用mmap函数创建的映射区的首地址
length：映射区的大小
返回值：
成功：0
失败：-1代码示例 父子进程间通信
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include int main(){
int fd = open("./ts.log",O_RDWR);
//当映射文件大小为0时，不能创建映射区,所以，用于映射的文件必须要有实际大小;
if(fd < 0){
perror("open");
return -1;
}int len = lseek(fd,0,SEEK_END);
void * addr = mmap(NULL,len,PROT_READ |PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
if(addr == MAP_FAILED){ // mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作
perror("mmap");
return -1;
}close(fd);
//映射区的释放与文件关闭无关，只要映射建立成功，文件可以立即关闭。pid_t pid = fork();
if(pid < 0){
perror("fork");
return -1;
}else if(pid > 0){
memcpy(addr,"hello",strlen("hello"));
wait(NULL);
}else{
char buf[64];
memset(buf,0x00,sizeof(buf));
memcpy(buf,addr,5);
printf("%s\n",buf);
}return 0;
} 4.3 匿名映射实现父子进程通信 使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易，但比较麻烦的是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现，为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，很麻烦。
Linux系统提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。
int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
参数说明：
4"随意，该位置表示映射区大小，可依实际需要填写。
MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。
代码示例
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include int main(){
void * addr = mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,-1,0);
if(addr==MAP_FAILED)
{
perror("mmap");
return -1;
}pid_t pid= fork();
if(pid < 0){
perror("fork");
return -1;
}else if(pid > 0){
memcpy(addr,"hello",strlen("hello"));
wait(NULL);
}else{
char buf[64];
memset(buf,0x00,strlen(buf));
memcpy(buf,addr,5);
printf("%s\n",buf);
}return 0;
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