进程间通信 IPC(Inter-Process Communication)
一、管道
管道是进程间通信中最古老的方式,所有UNIX都提供此种通信机制。管道有以下两种局限性:
- 历史上,他们是半双工的(即数据只能在一个方向上流动)。
- 管道只能在具有公共祖先的两个进程间使用。通常,一个管道由一个进程创建,在进程调用fork之后,这个管道就能在父进程和子进程之间使用了。
FIFO没有第二种局限性。
尽管有这两种局限性,半双工管道仍然是最常用的IPC形式。
管道由pipe()函数创建:
#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]); 返回值:若成功,返回0,若出错,返回-1
参数fd返回两个文件描述符:fd[0]为读而打开,fd[1]为写而打开。fd[1]的输出是fd[0]的输入。
通常,进程会先调用pipe,接着调用fork,从而创建从父进程到子进程的IPC通道,反之亦然。fork之后做什么取决于我们想要的数据流的方向。
对于从父进程到子进程的管道:父进程关闭管道的读端(fd[0]),子进程关闭写端(fd[1])。
对于从子进程到父进程的管道:父进程关闭管道的写端(fd[1]),子进程关闭读端(fd[0])。
二、FIFO
FIFO有时被称为命名管道,通过FIFO,不相关的进程也能交换数据。
FIFO由mkfifo()函数创建:
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode); 返回值:若成功,返回0,若出错,返回-1
FIFO有如下两种用途:
- shell命令使用FIFO函数将数据从一条管道传送到另一条时,无需创建中间临时文件。
- 客户进程-服务器进程应用程序中,FIFO用作汇聚点,在客户进程和服务器进程二者之间传递数据。
三、消息队列
消息队列是消息的链接表,存储在内核中,由消息队列标识符标识。
客户进程和服务器进程之间的双向数据流。
msgget用于创建一个新队列或打开一个现有队列,msgsnd将新消息添加到队列尾端,每个消息包含一个正的长整型类型的字段、一个非负的长度(nbytes)以及实际数据字节数(对应于长度),msgrcv用于从队列中取消息。
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int flag); 返回值:若成功,返回消息队列ID,若出错,返回-1
int msgsnd(int msgid, const void *ptr, size_t nbytes, int flag); 返回值:若成功,返回0,若出错,返回-1
ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag); 返回值:若成功,返回消息数据部分的长度,若出错,返回-1
四、信号量
本质上,信号量是一个计数器,用于为多个进程提供对共享数据对象的访问。
维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。
一般说来,为了获得共享资源,进程需要执行下列操作:
- 测试控制该资源的信号量。
- 若此信号量的值为正,则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。
- 若此信号量为0,则该资源目前不可用,进程进入睡眠状态,直至信号量值大于0,进程被唤醒,转入步骤(1)。
- 当进程不再使用一个信号量控制的资源时,信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量,则唤醒此进程。
五、共享存储
共享存储允许两个或多个进程共享一个给定的存储区。因为数据不需要在客户进程和服务器进程之间复制,所以这是最快的一种IPC。
通常,信号量被用来实现对共享存储数据存取的同步。(也可以用记录锁或互斥量)
shmget获得一个共享存储标识符,shmctl对共享存储段执行多种操作,shmat将共享存储段连接到它的地址空间。
#include<sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int flag); 返回值:若成功,返回共享存储ID;若出错,返回-1
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); 返回值:若成功,返回0;若出错,返回-1
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag); 返回值:若成功,返回指向共享存储段的指针;若出错,返回-1
六、网络IPC:套接字
不同计算机(通过网络相连)上的进程相互通信的机制:网络进程间通信(network IPC)。
套接字是通信端点的抽象。正如使用文件描述符访问文件,应用程序用套接字描述符访问套接字。
socket创建一个套接字,shutdown禁止一个套接字的I/O。
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol); 返回值:若成功,返回文件(套接字)描述符,若出错,返回-1
int shutdown(int sockfd, int how); 返回值:若成功,返回0,若出错,返回-1
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