Linux的进程间通信

目录

前言：

1、进程间通信的介绍

1.1 进程间通信的目的

1.2 进程间通信的发展

2、管道

2.1 管道通信的四种情况

2.2 匿名管道

2.3 基于匿名管道的进程池

2.3.1 Process.hpp

2.3.2 Task.hpp

2.4 命名管道

2.5 管道的特性

3、System V IPC

3.1 System V 共享内存

3.1.1 shmget()

3.1.2 shmat()&&shmdt()

3.1.3 shmctl()

3.2 内核中System V IPC资源的组织管理

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前言：

1. 作者的环境切换为Ubuntu 20.04，创建用户后，root用户vim /etc/sudoers，
2. 用户需要sudo usermod -s /bin/bash 用户名。
3. 通过Linux的基础开发工具，把远程仓库克隆到本地。
4. 语言使用C/C++，因为系统调用是C写的。
5. VSCode下载Remote - SSH插件，远程连接服务器，ssh 用户名@IP地址，再选择第一个配置文件。
6. 使用VSCode的代码编辑器代替vim，并通过VSCode的bash终端(ctrl+`)和Xshell的bash终端进行操作。

1、进程间通信的介绍

1.1 进程间通信的目的

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
• 通知事件：一个进程需要向另一个或组组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如子进程退出时要通知父进程）。
• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

注意：

进程间通信的前提：让不同的进程先看到同一份资源("内存")

1.2 进程间通信的发展

进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）

管道：

• 匿名管道。
• 命名管道。

System V IPC：

• System V 消息队列。
• System V 共享内存。
• System V 信号量。

POSIX IPC：

• 消息队列
• 共享内存
• 信号量
• 互斥量
• 条件变量
• 读写锁

本篇文章，重点介绍 管道 和 system V 共享内存。

2、管道

基于文件。

2.1 管道通信的四种情况

1. 写慢，读快。读端阻塞。
2. 写快，读慢。满了，写端阻塞。
3. 写关闭，读继续。读到文件结尾，返回0。
4. 读关闭，写继续。无意义，OS信号杀死。

2.2 匿名管道

• int pipe(int pipefd[2]);建立一个匿名管道文件，以读和写的方式打开，将匿名管道文件的读写描述符分别写到pipedf[0],pipefd[1]中，成功返回0，失败返回-1。
• 匿名管道文件是内存级的(没有路径，没有文件名，不需要保存到磁盘)。
• 匿名管道文件只能用于具有血缘关系的进程间通信(通常用于父子间通信)。
• 匿名管道文件的生命周期，是随进程的。所有进程关闭了该管道的文件描述符（引用计数降为 0），释放资源。

2.3 基于匿名管道的进程池

以父子间通信为例，父进程写，子进程读并完成指定任务。

注意：

代码中想以，父进程写端关闭，子进程读继续，子进程读到文件结尾，返回0，子进程退出，回收子进程。

但是，继承下来的子进程，也会有哥哥进程的匿名管道文件的写端描述符，只要存在写端，对应子进程读段就会一直阻塞，所以子进程关闭自己写端时，也要关闭哥哥的写端。才能实现父进程写端关闭，子进程退出。

2.3.1 Process.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <vector>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include "Task.hpp"#define CHILD_PROCESS_NUM 3
#define ERR_EXIT(m)         \do                      \{                       \perror(m);          \exit(EXIT_FAILURE); \} while (0)class Channel // 子进程的pid，父进程对应该子进程的匿名管道的写端
{
public:Channel(pid_t chpid, int wfd): _chpid(chpid), _wfd(wfd){}pid_t getpid(){return _chpid;}int getwfd(){return _wfd;}void Close(){close(_wfd);}void Wait(){waitpid(_chpid,nullptr,0);}private:pid_t _chpid;int _wfd;
};class ChannelManager
{
public:void InsertChannel(pid_t pid, int wfd){channels.emplace_back(pid, wfd);}int wfd(int index){return channels[index % channels.size()].getwfd();}int pid(int index){return channels[index % channels.size()].getpid();}void Printf(){for (auto e : channels)printf("child pid : %d , wfd : %d\n", e.getpid(), e.getwfd());}void Close(){for (auto e : channels)e.Close();}void Wait(){for (auto e : channels)e.Wait();}private:std::vector<Channel> channels;
};class ProcessPool
{
public:ProcessPool(int num): _child_process_num(num){_tm.RegisterTask(func1);_tm.RegisterTask(func2);_tm.RegisterTask(func3);}void Work(int rfd){while (true){int code = 0;int n = read(rfd, &code, sizeof(int));if (n == 0)break;else if (n == 4){_tm.ExecuteTask(code);}else{continue;}}}void Create(){for (int i = 0; i < _child_process_num; ++i){int fds[2] = {0};int n = pipe(fds);if (n != 0)ERR_EXIT("pipe");int pid = fork();if (pid == -1)ERR_EXIT("fork");else if (pid == 0){// childclose(fds[1]); // 关闭自己的写端_cm.Close(); // 关闭哥哥进程的写端Work(fds[0]);close(fds[0]);exit(0);}else{// parentclose(fds[0]);_cm.InsertChannel(pid, fds[1]);}}std::cout << "Create Success" << std::endl;_cm.Printf();}void Run(){int i = 0;while (true){sleep(1);int code = _tm.Code();std::cout << "发送child " << _cm.pid(i) << " 一个任务码" << code << std::endl;write(_cm.wfd(i), &code, sizeof(int));i++;}}~ProcessPool(){// 关闭父进程的写端即可，子进程都读到结尾，退出。_cm.Close();// 回收子进程。_cm.Wait();}private:int _child_process_num;ChannelManager _cm;TaskManager _tm;
};

2.3.2 Task.hpp

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <vector>
#include <functional>void func1()
{std::cout<<"***** 打开数据库 *****"<<std::endl;
}void func2()
{std::cout<<"***** 打开日志 *****"<<std::endl;
}void func3()
{std::cout<<"***** 运行Hello World *****"<<std::endl;
}class TaskManager
{
public:TaskManager(){srand(time(nullptr));}void RegisterTask(std::function<void()> f){_tasks.push_back(f);}int Code(){return rand() % _tasks.size();}void ExecuteTask(int code){if(code >= 0 && code < _tasks.size())_tasks[code]();}private:std::vector<std::function<void()>> _tasks;
};

2.4 命名管道

• int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);创建一个命名管道文件filename(可指定路径)，mode指定文件的权限，成功返回0，失败返回-1。
• unlink(const char *filename);会立即移除命名管道在文件系统中的路径（即filename不再可见），但不会影响已经打开该管道的进程。成功返回0，失败返回-1。
• 命名管道文是内存级的(有路径，有文件名，但是数据不需要刷新到磁盘)。
• 命名管道文件用于不同的进程间通信(通常用于父子间通信)。
• unlink后，所有进程关闭了该管道的文件描述符（延迟到引用计数降为 0），释放资源。

2.5 管道的特性

• 管道文件用于单向通信，属于半双工(一发一收)。通常收发在一开始就确定了，不能改。
• 管道文件，自带同步机制(一发一收，有顺序)。
• 管道文件，面向字节流(没有按特定的序列读写)。
• 管道文件，大小通常为64KB。
• 管道文件的写入的数据 <= PIPE_BUF(通常为4KB) 时，具有原子性(数据要么全部写入，要么完全不写入，不会被其他进程的写入穿插)。

3、System V IPC

3.1 System V 共享内存

共享内存区是最快的IPC形式。因为不需要系统调用。但是没有“保护机制”，数据读取随意。

3.1.1 shmget()

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

• key：用户层共享的共享内存标识符，在用户层，让不同进程打开同一个共享内存。因为内核的共享内存的shmid是运行后才有的，此时不能通信，给不了id，不能指向同一个共享内存。共享内存是内存级，没有名字，用key标识。一般使用ftok，创建一个唯一的key。
• size：共享内存的大小。共享内存的大小为4KB的整数倍，但是申请了多少，就给多少，如：申请4097B，共享内存在内核中为8KB，但是只给你4097B。
• shmflg：IPC_CREAT，不存在，就创建，存在，就打开。用于打开。；IPC_CREAT|IPC_EXCL|权限，不存在，就创建，存在，就报错。用于创建。
• 成功返回shmid，失败返回-1。

注意：

对共享内存的其他操作都使用内核共享内存的shmid，不使用key。

3.1.2 shmat()&&shmdt()

• void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);将共享内存挂接到进程的虚拟地址空间，成功返回起始虚拟地址，失败返回(void*)-1。shmaddr是设置其实虚拟地址的位置，一般用不上，传NULL就行。shmflg当前进程的映射行为（仅自身有效），通常传0，可读可写。
• int shmdt(const void *shmaddr);去共享内存的关联。共享内存的引用计数为0，释放资源。

3.1.3 shmctl()

• int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

命令	用途	使用频率
IPC_STAT	获取共享内存的状态信息（如 shm_segsz、shm_nattch）。	高（调试/监控）
IPC_SET	修改共享内存的某些属性（如权限 shm_perm）。	中（需谨慎）
IPC_RMID	标记删除共享内存（实际释放需等待引用计数归零）。	高（资源清理）

• ipcs -m shmid，查看共享内存。
• ipcrm -m shmid，删除指定的共享内存。

3.2 内核中System V IPC资源的组织管理

• System V 是一个标准，Linux支持了这种标准，并专门设计了一个IPC模块。
• 共享内存，消息队列，信号量(本质是一个计数器，描述的是临界(共享)资源中，资源的数量)，是System V IPC的三种核心机制，接口使用类似，都有struct ipc_perm* -> 独立的数据结构 struct shmid_ds*, struct msqid_ds*, struct semid_ds*(通过强制类型转换，实现多态)，key区分唯一(不能使用相同的key)。