Linux进程间通信 [补档-2023-07-27]
Linux进程间通信
10-1 简介
在Linux下,进程之间相互独立,每个进程都有自己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。如果非要交换数据则必须通过内核,在内核中开辟 一块缓冲区。假设有两个进程A B,他们之间想要交换数据就需要A在将数据写到缓冲区,然后B再从缓冲区 将A写入的数据读入,这样就完成了AB两个进程之间的通信。
进程间如果想通信则需要使用:文件,管道,信号,共享内存,消息队列,套接字,命名管道等。如今常 用的通信方式有:管道(操作简单),信号(开销小),共享映射区(适用无血缘关系的进程),本地套接字(最 稳定)。
10-2 管道 pipe
10-2-1 概念
在内核区创立一个缓冲区,它形似队列,一头输入数据,一头输出数据。它由两个文件描述符引用,当所 以引用它的进程都结束后,pipe管道会自己消失,并且读入端和写入端是阻塞的。这个缓冲区的大小为4k,不 可以修改它的大小,在实际的操作过程中,缓冲区会根据数据压力做适当的调整。
假设现在有A,B两个线程,我们让A线程在队头读数据,让B线程在队尾写数据,这样就可以完成AB 两个线程的通信,但是管道的数据走向是单向的,上面的例子是A接收B的数据,如果想要B接收A的数 据则需要再来一个管道。当然可以两个及以上个进程共享同一个管道,但当多个进程都要往管道中写入数据 或者读出数据时,则会导致读写次序混乱,所以可以使用互斥锁,或者信号量来解决该问题。
如果B线程往管道中写入了数据,那么A线程可以通过读取操作将数据取出。在A线程成功读取数据后, 管道中的数据并不会自动删除,仍然保留在缓冲区中,可以继续进行读取操作以重复获取数据。因此,管道中 的数据是可以反复读取的。并且只有有血缘关系的进程才能使用管道。
在pipe管道中,如果管道中没有数据可读时,那则会阻塞读端,如果缓冲区满了则会阻 塞写端。
10-2-2 创建管道 pipe函数
函数原型:int pipe(int fd[2]);
头文件:#include <unistd.h>
函数作用:创建一个管道。
函数参数:一个用于存储两个文件描述符的一维数组,且数组元素个数位2.
函数返回值:
调用成功:返回0。并且fd[0]存放管道的读端描述符,fd[1]存放管道的写端描述符。
调用失败:返回-1。
10-2-3 实现父子进程通信的步骤
1.父进程创建管道
2.父进程通过fork整一个子进程
3.假设我们要让子进程获取来自父进程的数据,那么就需要我们在父进程中关闭读端(close(fd[0)),在子 进程中关闭写端(close(fd[1])。这样就保证了数据方向是由父进程到子进程的。然后我们在父进程中通过write 函数写入数据,然后在子进程中使用read函数读取数据,这样就完成了简单的一个进程间通信。
注意:必须保证数据传输是单向的,就像父进程关读端,子进程关写端,如果不这样则会导致死锁。
10-2-4管道的读写操作
读操作:
有数据:read正常读,返回读出的字节数。
无数据:
所有的写端关闭:返回0,相当于读到了文件末尾。
写端没有全部关闭:阻塞。
写操作:
读端全部关闭:管道破裂,进程终止,内核给当前进程发SIGPIPE信号。
读端没有全部关闭:
缓冲区满了:write阻塞。
缓冲区没满:继续通过write写入数据。
10-2-5 父子进程通信的例子
10-2-6 将管道设置为非阻塞状态
如果读端和写端访问或操作管道时,因为某些原因可能会被阻塞,为了不影响我们程序的执行,我们可以 将默认为阻塞状态的管道改为非阻塞管道,这样当读写端对管道进行访问或操作时,如果发现当前管道的处境 会导致读写端被阻塞,那么读写端则不会被阻塞在哪里,而是直接返回。
步骤如下(以读端为例):
1.创建管道假设读端的描述符在fd[0]中,写端的描述符在fd[1]中。
2.通过fcntl函数获取读端的文件状态标准,通过传入F_GETFL参数来获取当前的标志。
int flags = fcntl(fd[0] , F_GETFL);
3.将O_NONBLOCK 标志与获取到的标志位进行按位或操作,以将非阻塞标志添加到当前标志中。
dlags |= O_NONBLOCK
4.再一次使用fcntl函数,将修改后的标志值重新设置回文件描述符中,将读取端设为非阻塞。
fcntl(fd[2] , F_SETFL , flags);
这样读端就是非阻塞模式了。可以将上述的fd[0]改为fd[1]这样就可以修改写端了。
10-2-7 查看管道缓冲区的大小
命令:ulimit -a
函数原型:long fpathconf(int fd , int name);
头文件:#include <unistd.h>
函数功能:获取文件路径配置的相关信息
函数参数:
fd为文件描述符。
name为要获取的配置选项
_PC_LINK_MAX:路径名链接的最大数目。
_PC_MAX_CANON:终端规范模式下输入行的最大字节数。
_PC_MAX_INPUT:输入队列的最大字节数。
_PC_NAME_MAX:文件名的最大长度。
_PC_PIPE_BUF:管道缓冲区的大小限制。
函数返回值:调用成功则返回获取的信息,调用失败则返回-1。
获取管道缓冲区的大小:
获取读端:long fpathconf(fd[0] , _PC_PIPE_BUF);
获取写端:long fpathconf(fd[1] , _PC_PIPE_BUF);
10-3 FIFO
介绍:
FIFO为命名管道,当多个没有血缘关系的进程之间想要通信时,可以采用FIFO进行进程间通信。命名管 道实际上是Linux基础文件类型的一种(通过ls -l查看的类型为:p)。FIFO在磁盘上没有数据块,大小为0.仅 标识内核中一条通道。进程可以打开这个文件进行write和read,读写操作实际上是在内核缓冲区中进行,这 就是通过文件实现进程间通信。
10-3-1 创建命名管道
方法一 使用命令:
命令格式:mkfifo 管道名
例如: mkfifo myFifo 创建一个名为myFifo的管道
方法二 使用函数:
函数原型:int mkfifo(const char *pathname , mode_t mode);
头文件:#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
函数参数:
pathname:指定要创建的命名管道的路径名(可以时相对路径或绝对路径)。
mode:指定创建管道的权限(使用权限掩码)。
函数返回值:执行成功返回0,执行失败返回-1.
10-3-2 如何使用文件io对管道文件进行操作:
const char* pipeName = “/xxx/my_pipe”; 管道文件路径
int result = mkfifo(pipeName , 0666); //创建管道**
if(result == -1){ //判断管道是否创建成功
printf(“error\n”);
return 0;
}
//可以在其他进程中打开管道文件,然后通过write和read函数进行操作
int fd = open(pipeName, O_WRDNLY); //打开管道文件
const char* data = “Hello World!”; //要写入的数据
ssize_t bytesWritten = write(fd , data, sizeof(data)); //写入数据**
char buffer[100];
ssize_t byteRead = read(fd, buffer, siezof(buffer)); //读数据**
printf(“%s\n”,buffer); //打印刚才读出的数据
close(fd); //关闭管道**
int result = unlink(pipeName); //删除管道**
10-3-3如何使用FIFO完成两个进程的通信:
进程A:
创建一个FIFO文件:myfifo。
调用open函数打开myfifo文件。
调用write函数,往myfifo文件中写入数据。
调用close函数,关闭myfifo文件。
进程B:
调用open函数打开FIFO文件。
调用read函数读取myfifo文件中的内容。
打印或者使用刚刚读取的数据。
调用close函数关闭myfifo文件。
注意:B进程要使用myfifo文件时可能进程A还没有创建好这个文件,这样会导致B报错,所以我们 可以在进程B中需要调用FIFO文件的地方使用if判断一下当前文件是否存在。又或者要保证进程B在进 程A 之后运行。
10-4 内存映射区
如果我们对文件进行一次io操作,cpu会在磁盘里寻找到文件的位置,然后写入或读出数据,因为磁盘的 效率不高,这样操作的次数多了会导致过渡占用系统资源,所以为了让io操作的效率更高,我们直接将文件或 文件的一部分缓存到内存中去,然后每进行一次io操作时,则直接对内存中的缓存进行操作,这样可以大大提 升cpu的工作效率,当我们完成io操作后可以关闭文件的缓冲区,然后将缓冲区的内容真正地写入文件。
10-5 mmap函数族:
mmap函数:
头文件:#include <sys/mman.h>
函数原型:void *mmap(void *addr , size_t length , int prot , int flags , int fd , off_t offset);
函数功能:创立存储映射区。
函数参数:
addr:指定映射的起始地址,一般填NULL,由系统而定。
length:映射到内存的文件长度。
prot:映射区的保护方法。
读:PROT_READ
写:PROT_WRITE
读写:PROT_READ | PROT_WRITE
flags:映射区的特性。
MAP_SHAREAD:写入映射区的数据会写回文件,且允许其他映射该文件的进程共享。
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入源文件。
fd:要映射的文件的文件描述符。
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。
函数返回值:调用成功返回创建的映射区的首地址,失败则返回MAP_FAILED宏。
munmap函数;
头文件:#include <sys/mman.h>
函数原型:int munmap(void *addr, size_t length);
函数功能:释放由mmap函数建立的存储映射区。
函数参数:
addr:mmap函数创建成功时返回的映射区首地址。
length:映射区大小(mmap的第二个参数)。
函数返回值:成功返回0,失败返回-1.
mmap函数的注意事项:
1.当flags为MAP_SHARAD时,要求映射区的权限应该小于等于文件打开的权限,而MAP_PRIVATE 则无所谓。
2.映射区的释放与文件关闭无关,只有映射建立成功,文件可立即关闭。
3.当映射文件的大小为0时,则不可以创建映射区,因为映射区要有一个实际大小。
4.munmap传入的地址必须是mmap的返回地址,不可以使用指针的自增自减操作。
5.文件偏移量必须是0或者4k的整数倍。
6.mmap创建映射区容易出错,要记得先检查是否创建成功然后再使用它。
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