〖Linux〗Linux高级编程 - 进程间通信（Interprocess Communication）

[转自: http://blog.csdn.net/Paradise_for_why/article/details/5550619]

这一章就是著名的IPC，这个东西实际的作用和它的名字一样普及。例如我们浏览网页，打印文章，等等。

IPC总共有五种类型：

1. 共享内存(Shared Memory)：最容易理解的一种，就像一个特工把情报放在特定地点(内存)，另一个特工再过来取走一样。

2. 内存映射(Mapped Memory)：和共享内存几乎相同，除了特工们把地点从内存改成了文件系统。

3. 管道(Pipes)：从一个进程到另一个进程的有序通信，用电话来比喻再恰当不过了。

4. FIFOs：和管道和类似，唯一的区别是FIFOs比管道更神通一些，允许没有关系的进程之间的有序通信。

5. 套接字(Sockets)：为什么说浏览网页也是IPC？就是因为它。

5.1 共享内存（Shared Memory）

• 共享内存是最快捷的进程间通信方式。访问共享内存的效率和访问进程自己的非共享内存的效率是相同的，而且这种通信方式不需要任何额外的系统调用。
• 系统不会自动为共享内存处理同步问题，这个问题必须由用户自己解决。
• 共享内存的步骤通常是：
  • 一个进程申请一块共享内存，即在它的页表中加入新的一项
  • 所有进程Attach该共享内存，即从申请内存的进程中拷贝对应的页表
  • 使用该内存进行通讯
  • 结束后所有进程detach该共享内存
  • 申请共享内存的进程在确定所有进程都detach后，释放该内存
• 由于共享内存是通过页表来实现的，我们可以得出一个结论：共享内存的大小是页面大小的整数倍，页面的大小可以通过getpagesize()来得到，通常在Linux下该值是4KB
• 相关的API函数：
  • 申请共享内存：shmget，返回共享内存segment的id
  • Attach，Detach函数：shmat，shmdt。需要共享内存segment的id
  • 释放申请的内存：shmctl。一定要记得释放！调用exit和exec会自动detach，但不会自动释放。
• 使用 ipcs -m来观看当前系统存在的共享内存

　　例子：原程序链接，依据这个例子进行简单修改一下

 /*
  * =============================================================================
  *
  *       Filename:  sharememory_read.c
  *
  *    Description:
  *
  *        Version:  1.0
  *        Created:  2014年11月04日 19时52分28秒
  *       Revision:  none
  *       Compiler:  gcc
  *
  *         Author:  lwq (28120), scue@vip.qq.com
  *   Organization:
  *
  * =============================================================================
  */
 #include <stdlib.h>

 /**********************************************************
 *实验要求：   创建两个进程，通过共享内存进行通讯。
 *功能描述：   本程序申请和分配共享内存，然后轮训并读取共享中的数据，直至
 *           读到“end”。
 *日    期：   2010-9-17
 *作    者：   国嵌
 **********************************************************/
 #include <unistd.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>
 #include <string.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/shm.h>
 #include <getopt.h>
 #include "sharememory.h"

 void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
 void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
 void del_shm();

 void usage(){
     fprintf(stderr, "\nusage: %s -r|-w\n\n"
             "-r read mode\n"
             "-w write mode\n"
             "\n", "shared_memory");
     exit();
 }

 #define READ (1)
 #define WRITE (2)
 #define OPTNONE (0)

 // 全局变量
 void *shared_memory=(void *);

 /*
  * 程序入口
  * */
 int main(int argc, char **argv)
 {
     int running=RUNNING;
     struct shared_use_st *shared_stuff;
     int shmid;
     int operation=OPTNONE;                      /* 读/写操作 */

     /*-----------------------------------------------------------------------------
      *  getopt start
      *----------------------------------------------------------------------------*/
     int choice;
     while ()
     {
         static struct option long_options[] =
         {
             /* Use flags like so:
             {"verbose",    no_argument,    &verbose_flag, 'V'}*/
             /* Argument styles: no_argument, required_argument, optional_argument */
             {"version", no_argument,    ,    'v'},
             {"help",    no_argument,    ,    'h'},
             {"read",    no_argument,    ,  'r'},
             {"write",   no_argument,    ,  'w'},
             {,,,}
         };

         int option_index = ;

         /* Argument parameters:
             no_argument: " "
             required_argument: ":"
             optional_argument: "::" */

         choice = getopt_long( argc, argv, "vhrw",
                     long_options, &option_index);

         if (choice == -)
             break;

         switch( choice )
         {
             case 'v':

                 break;

             case 'h':
                 usage();
                 break;

             case 'r':
                 operation=READ;
                 break;

             case 'w':
                 operation=WRITE;
                 break;

             case '?':
                 /* getopt_long will have already printed an error */
                 usage();
                 break;

             default:
                 /* Not sure how to get here... */
                 return EXIT_FAILURE;
         }
     }
     if (operation == OPTNONE) {
         usage();
     }
     /*-----------------------------------------------------------------------------
      *  getopt end
      *----------------------------------------------------------------------------*/

     /*创建共享内存*/
     shmid=shmget((key_t),sizeof(struct shared_use_st),|IPC_CREAT);
     if(shmid==-) {
         fprintf(stderr,"shmget failed\n");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }

     /*映射共享内存*/
     shared_memory=shmat(shmid,(void *),);
     if(shared_memory==(void *)-) {
         fprintf(stderr,"shmat failed\n");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }

     printf("Memory attached at 0%08x\n",(int)((intptr_t)shared_memory));

     /*让结构体指针指向这块共享内存*/
     shared_stuff=(struct shared_use_st *)shared_memory;

     /*控制读写顺序*/
     // lwq: 使之能读取上一条消息
     if (operation == READ && shared_stuff->written_by_you != HADWROTE)
         shared_stuff->written_by_you=HADREAD;

     switch(operation) {
         case READ:
             read_shm(shared_stuff);
             break;

         case WRITE:
             write_shm(shared_stuff);
             break;

         default:
             usage();
             break;
     }

     del_shm();
     exit(EXIT_SUCCESS);
 }

 // 读取共享内存
 void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
     while() {
        if(shared_stuff->written_by_you == HADWROTE) {
            printf("You wrote:%s",shared_stuff->some_text);
            shared_stuff->written_by_you=HADREAD;
            if(strncmp(shared_stuff->some_text,"end",)==) {
                break;
            }
        }
        else {
            usleep();
        }
     }
 }

 // 写入共享内存
 void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
     char buffer[BUFSIZ] = {};
     while() {
         while(shared_stuff->written_by_you!=HADREAD); /* 等待读写完成 */
         printf("Enter some text:");
         fgets(buffer,BUFSIZ,stdin);
         strncpy(shared_stuff->some_text,buffer,TEXT_SZ); /* 复制进去 */
         shared_stuff->written_by_you=HADWROTE;
         if(strncmp(buffer,"end",)==) {
             break;
         }
     }
 }

 // 删除共享内存
 void del_shm(){
     /*删除共享内存*/
     if(shmdt(shared_memory)==-) {
         fprintf(stderr,"\nshmdt failed\n");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }
     else {
         fprintf(stderr, "\ndelete shared_memory: 0x%08x\n", (int)((intptr_t)shared_memory));
     }
 }

sharememory.c

　　编译：gcc sharememory.c -o sharememory

　　执行：

　　　　1. 以读取模式打开程序（进程1）： ./sharememory -r

　　　　2. 以写入模式打开程序（进程2）： ./sharememory -w

　　更新介绍：http://www.cs.cf.ac.uk/Dave/C/node27.html

5.2 进程信号量

• 信号量(Semaphore)的概念前面已经介绍过了。Linux对用来同步进程的信号量采取了一种特别的实现方式。这些信号量也就被称为进程信号量(Process Semaphore)。（这一节下面所提到的所有信号量默认都是指进程信号量）
• 相关的API函数：
  • 申请：semget
  • 释放：semctl。需要注意的是信号量不会被自动释放，我们必须显式释放它。
  • Wait和Post：semop
• 使用ipcs -s来观看当前系统存在的信号量

　　例子：原程序链接

 /*
  * =============================================================================
  *
  *       Filename:  semaphore_simple.c
  *
  *    Description:
  *
  *        Version:  1.0
  *        Created:  2014年11月04日 21时21分25秒
  *       Revision:  none
  *       Compiler:  gcc
  *
  *         Author:  lwq (28120), scue@vip.qq.com
  *   Organization:
  *
  * =============================================================================
  */
 #include <stdlib.h>

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

 union semun
 {
     int val;
     struct semid_ds *buf;
     unsigned short *arry;
 };

 static int sem_id = ;

 static int set_semvalue();
 static void del_semvalue();
 static int semaphore_p();
 static int semaphore_v();

 int main(int argc, char *argv[])
 {
     char msg[] = {};
     int i = ;
     int mypid=getpid();

     //创建信号量
     sem_id = semget((key_t), ,  | IPC_CREAT);

     if(argc > )
     {
         //程序第一次被调用，初始化信号量
         if(!set_semvalue()) {
             fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore\n");
             exit(EXIT_FAILURE);
         }
     }
     for(i = ; i < ; ++i) {
         //进入临界区
         if(!semaphore_p())
             exit(EXIT_FAILURE);
         //向屏幕中输出数据
         snprintf(msg, sizeof(msg)-, "%s, index: %03d, pid: %05d", argv[], i, mypid);
         printf("%s\n", msg);
         fflush(stdout);
         usleep();
         //离开临界区，休眠随机时间后继续循环
         if(!semaphore_v())
             exit(EXIT_FAILURE);
     }

     if(argc > )
     {
         //如果程序是第一次被调用，则在退出前删除信号量
         sleep();
         del_semvalue();
     }
     exit(EXIT_SUCCESS);
 }

 static int set_semvalue()
 {
     //用于初始化信号量，在使用信号量前必须这样做
     union semun sem_union;

     sem_union.val = ;
     if(semctl(sem_id, , SETVAL, sem_union) == -)
         return ;
     return ;
 }

 static void del_semvalue()
 {
     //删除信号量
     union semun sem_union;

     if(semctl(sem_id, , IPC_RMID, sem_union) == -)
         fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\n");
 }

 static int semaphore_p()
 {
     //对信号量做减1操作，即等待P（sv）
     struct sembuf sem_b;
     sem_b.sem_num = ;
     sem_b.sem_op = -;//P()
     sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
     if(semop(sem_id, &sem_b, ) == -)
     {
         fprintf(stderr, "semaphore_p failed\n");
         return ;
     }
     return ;
 }

 static int semaphore_v()
 {
     //这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即发送信号V（sv）
     struct sembuf sem_b;
     sem_b.sem_num = ;
     sem_b.sem_op = ;//V()
     sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
     if(semop(sem_id, &sem_b, ) == -)
     {
         fprintf(stderr, "semaphore_v failed\n");
         return ;
     }
     return ;
 }

semaphore_simple.c

　　编译：gcc semaphore_simple.c -o semaphore_simple

　　执行：./semaphore_simple XXX &; ./semaphore_simple YYY

5.3 内存映射

• 内存映射使得不同的进程可以通过一个共享文件来互相通信。
• 相关的API函数：
  • 映射：mmap
  • 同步：msync。用来指定对文件的修改是否被buffer。
  • 释放：munmap。在程序结束的时候会自动unmap
• mmap的其他用法：
  • 可以替代read和write，有时使用内存映射后的效率比单纯使用I/O操作来的更快
  • 在内存映射文件中构建structure，修改structure再次将文件映射到内存中可以快速的将structure恢复到原来的状态
  • 把/dev/zero文件映射到内存中。该文件可以提供无限的0，并且写到该文件的所有内容将被直接丢弃

5.4 管道（Pipes）

• 管道是单向的，即一个线程写，另一个线程读，无法互换
• 如果写的速度太快，造成管道满了，那么写的线程就会被block；如果读的速度太快，造成管道空了，那么读的进程就会被block。因此事实上我们可以说管道自动实现了同步机制
• 我们可以通过调用pipe函数来生成一对pipe file description。（为什么是一对？因为一个读一个写）。可是，生成的pipe file description无法传送给不相关的进程（因为做为file descriptor即使它拿到了也没法用）。但是我们注意到fork之后父进程所有的file descriptor在子进程中依然有效，因此管道最大的作用是在父子进程之间通信。或者更确切的说，是在有共同祖先的进程之间通信。
• 典型的创建管道的流程如下：
  • 用pipe生成2个pipe file description（简称fds）。然后调用fork
  • 在父进程关闭fds[0](或fds[1])，并以只读（或只写）方式打开fds[1](或fds[0])。在子进程中关闭fds[1](或fds[0])，并以只写(或只读)方式打开fds[0](或fds[1])。打开的函数是fdopen。
  • 开始通信。结束后用close函数关闭剩下的fds。
• 这里有一个技巧：可以利用管道来达成重定向stdin, stdout和stderr。注意到dup2这个API可以把一个file descriptor复制到另一个上。
• 事实上，我们有一对更为简洁的函数popen/pclose来完成上面的一系列复杂的操作。popen有两个参数：
  • 第一个参数接受一个exec，子进程将执行这个exec
  • 第二个参数为”w”或者”r”，”w”表示父进程写子进程读，”r”则反之
  • 返回值为管道的一端，也就是一个file descriptor
  • pclose用来关闭popen返回的file descriptor
• FIFO（First In First Out）文件事实上是一个有名字的管道，换句话说，他可以用来让“不相干”的程序互相通信。
  • 我们使用mkfifo函数来创建一个FIFO文件
  • 我们可以使用任何的低级I/O函数(open, write, read, close等)以及C库I/O函数(fopen, fprintf, fscanf, fclose等)来操作FIFO文件。
• Linux的管道和Windows下的命名管道(Named Pipes)的区别
  • Windows的命名管道更像一个套接字(sockets)，它可以通过网络让不同主机上的程序进行通信
  • Linux的管道允许有多个reader和writer，每个reader和writer进行读/写的最大容量为 PIPE_BUF(4KB)，如果有多个writer同时写，他们写的东西会被分为一个一个的chunk（每个4KB）并允许交错写。（例如进程A有两个 chunk，A1，A2。进程B也有两个chunk，B1，B2。A和B同时写，则顺序可能为A1,B1,A2,B2） Windows的管道允许在同一个管道上有多个reader/writer对，他们之间读写的数据没有交叉。

5.5 套接字(Sockets)

• 套接字的特点：
  • 它是双向通信的
  • 它是进程间通信的，包括其他机器上的进程
• 套接字有三个参数：
  • 通讯类型(communication style)
    • 连接(connection)类型：保证所有的包按发送的顺序到达接受方。（类似于电话）如果包丢失或者抵达顺序错误，会自动重发。
    • datagram类型：所有包单独发送，可能会出现丢失或者晚发早到的现象。（类似于邮寄）
  • 命名空间(namespace)：描述套接字的地址是如何表示的，例如本地就是文件名，internet上就是ip地址。
  • 协议(protocol)：通讯协议，常用的有TCI/IP，AppleTalk等。
• 相关的API（套接字也是通过file descriptor来表示的）：
  • socket：创建一个socket
  • closes：销毁一个socket
  • connect：在两个socket之间创建一个连接。这个API通常由客户端调用。
  • bind：给服务器的一个套接字绑定一个地址，服务器端调用。
  • listen：让一个套接字开始侦听，准备接受请求，服务器端调用。
  • accept：接受一个连接请求，并且为该连接创建一个新的套接字，服务器端调用。
• 服务器端的生命流程：
  • 创建一个connection类型的socket
  • 给该socket绑定一个地址
  • 调用listen来enable该socket（listen可以指定最多有多少个请求在等待队列中，如果等待队列满了，又有新的请求到达的时候，则该请求被拒绝）
  • 对于收到的连接请求调用accept来接受
  • 关闭socket
• 本地socket（local socket）
  • 如果是同一台电脑上的两个进程需要通信的话，可以使用本地socket。这种情况下socket的地址是文件路径。注意进程必须对该路径拥有可写权限，否则无法建立连接
  • 完成之后使用unlink来关闭一个socket