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进程间通信

bigegpt 2024-08-28 12:27 2 浏览

每个进程各自有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，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用 户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程 间通信(IPC，InterProcess Communication)

1.1pipe管道

#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);

管道作用于有血缘关系的进程之间,通过fork来传递，调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区(称为管道)用于通信，它有一个读端一个 写端，然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符，filedes[0]指向管道的读 端，filedes[1]指向管道的写端(很好记，就像0是标准输入1是标准输出一样)。所以管道 在用户程序看起来就像一个打开的文件，通过read(filedes[0]);或者write(filedes[1]); 向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调用成功返回0，调用失败返 回-1。

pipe管道代码实例

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> 
#define MAXLINE 80
int main(void) {
   int n;
   int fd[2];
   pid_t pid;
   char line[MAXLINE];
   if (pipe(fd) < 0)
     { perror("pipe");
       exit(1);
     }
   if ((pid = fork()) < 0) 
     {
        perror("fork");
        exit(1); 
      }
    if (pid > 0) { /* parent */ 
         close(fd[0]);
         write(fd[1], "hello world\n", 12);
         wait(NULL);
     } 
      else { /* child */
          close(fd[1]);
          n = read(fd[0], line, MAXLINE); write(STDOUT_FILENO, line, n);
         }
       return 0; 
    }


使用管道有一些限制: 两个进程通过一个管道只能实现单向通信，比如上面的例子，父进程写子进程读，如果 有时候也需要子进程写父进程读，就必须另开一个管道。请读者思考，如果只开一个管道， 但是父进程不关闭读端，子进程也不关闭写端，双方都有读端和写端，为什么不能实现双向 通信?
管道的读写端通过打开的文件描述符来传递，因此要通信的两个进程必须从它们的公共 祖先那里继承管道文件描述符。上面的例子是父进程把文件描述符传给子进程之后父子进程 之间通信，也可以父进程fork两次，把文件描述符传给两个子进程，然后两个子进程之间通 信，总之需要通过fork传递文件描述符使两个进程都能访问同一管道，它们才能通信。
使用管道需要注意以下4种特殊情况(假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标 志):
1.如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了(管道写端的引用计数等于0)，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(管道写端的引用计数大于0)，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(管道读端的引用计数等于0)，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。讲 信号时会讲到怎样使SIGPIPE信号不终止进程。
4.如果有指向管道读端的文件描述符没关闭(管道读端的引用计数大于0)，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。
管道的这四种特殊情况具有普遍意义。非阻塞管道, fcntl函数设置O_NONBLOCK标志
fpathconf(int fd, int name)测试管道缓冲区大小，_PC_PIPE_BUF 。

2.fifo有名管道

#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

当只写打开FIFO管道时，如果没有FIFO没有读端打开，则open写打开会阻塞。
FIFO内核实现时可以支持双向通信。(pipe单向通信，因为父子进程共享同一个file 结构体)
FIFO可以一个读端，多个写端;也可以一个写端，多个读端。

3. 内存共享映射

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 
int munmap(void *addr, size_t length);

mmap可以把磁盘文件的一部分直接映射到内存，这样文件中的位置直接就有对应的内存 地址，对文件的读写可以直接用指针来做而不需要read/write函数。

如果addr参数为NULL，内核会自己在进程地址空间中选择合适的地址建立映射。如果 addr不是NULL，则给内核一个提示，应该从什么地址开始映射，内核会选择addr之上的某个 合适的地址开始映射。建立映射后，真正的映射首地址通过返回值可以得到。len参数是需 要映射的那一部分文件的长度。off参数是从文件的什么位置开始映射，必须是页大小的整 数倍(在32位体系统结构上通常是4K)。filedes是代表该文件的描述符。

prot参数有四种取值:

* PROT_EXEC表示映射的这一段可执行，例如映射共享库 * PROT_READ表示映射的这一段可读
* PROT_WRITE表示映射的这一段可写
* PROT_NONE表示映射的这一段不可访问

flag参数有很多种取值，这里只讲两种，其它取值可查看mmap(2)

* MAP_SHARED多个进程对同一个文件的映射是共享的，一个进程对映射的内存做了修 改，另一个进程也会看到这种变化。
* MAP_PRIVATE多个进程对同一个文件的映射不是共享的，一个进程对映射的内存做了修 改，另一个进程并不会看到这种变化，也不会真的写到文件中去。
如果mmap成功则返回映射首地址，如果出错则返回常数MAP_FAILED。当进程终止时，该进程 的映射内存会自动解除，也可以调用munmap解除映射。munmap成功返回0，出错返回-1。

使用mmap映射例子

#include <stdlib.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <fcntl.h>
int main(void)
{
int *p;
int fd = open("hello", O_RDWR); if (fd < 0) {
perror("open hello");
exit(1); }
p = mmap(NULL, 6, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (p == MAP_FAILED) {
perror("mmap");
exit(1); }
close(fd);
p[0] = 0x30313233; munmap(p, 6); return 0;
}


* 用于进程间通信时，一般设计成结构体，来传输通信的数据

* 进程间通信的文件，应该设计成临时文件
* 当报总线错误时，优先查看共享文件是否有存储空间

进程间共享通信--写进程例子

/* process_mmap_w.c*/
 #include <stdio.h>
 #include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <fcntl.h> 
#define MAPLEN 0x1000
struct STU { int id;
  char name[20];
  char sex; 
};
void sys_err(char *str, int exitno) {
  error(str);
  exit(exitno); 
}
int main(int argc, char *argv[]) 
{
  struct STU *mm; int fd, i = 0; 
  if (argc < 2) {
    printf("./a.out filename\n");
    exit(1); 
    }
   fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0777);
   if (fd < 0)
      sys_err("open", 1);
   if (lseek(fd, MAPLEN-1, SEEK_SET) < 0) 
      sys_err("lseek", 3);
   if (write(fd, "\0", 1) < 0) 
      sys_err("write", 4);
   mm = mmap(NULL, MAPLEN, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
   if (mm == MAP_FAILED)
       sys_err("mmap", 2); close(fd);
   while (1) { mm->id = i;
     sprintf(mm->name, "zhang-%d", i);
     if (i % 2 == 0)
        mm->sex = 'm';
     else
        mm->sex = 'w'; 
     i++;
     sleep(1); 
   }
   munmap(mm, MAPLEN);
   return 0; 
}

进程间共享通信--读进程例子

/* process_mmap_r.c*/ 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <fcntl.h> 
#define MAPLEN 0x1000
struct STU 
{ 
   int id;
   char name[20];
   char sex; 
};
void sys_err(char *str, int exitno)
 {
    perror(str);
    exit(exitno); 
}
int main(int argc, char *argv[]) {
    struct STU *mm; 
    int fd, i = 0; 
    if (argc < 2) {
        printf("./a.out filename\n");
        exit(1); 
    }
    fd = open(argv[1], O_RDWR); 
    if (fd < 0)
       sys_err("open", 1);
    mm = mmap(NULL, MAPLEN, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 
    if (mm == MAP_FAILED)
       sys_err("mmap", 2);
    close(fd); 
    unlink(argv[1]);
    while (1) {
     printf("%d\n", mm->id); 
     printf("%s\n", mm->name); 
     printf("%c\n", mm->sex); 
     sleep(1);
    }
 munmap(mm, MAPLEN); 
 return 0;
}每个进程各自有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，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用 户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程 间通信(IPC，InterProcess Communication)
1.1pipe管道
#include <unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);
管道作用于有血缘关系的进程之间,通过fork来传递，调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区(称为管道)用于通信，它有一个读端一个 写端，然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符，filedes[0]指向管道的读 端，filedes[1]指向管道的写端(很好记，就像0是标准输入1是标准输出一样)。所以管道 在用户程序看起来就像一个打开的文件，通过read(filedes[0]);或者write(filedes[1]); 向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调用成功返回0，调用失败返 回-1。

pipe管道代码实例

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> 
#define MAXLINE 80
int main(void) {
   int n;
   int fd[2];
   pid_t pid;
   char line[MAXLINE];
   if (pipe(fd) < 0)
     { perror("pipe");
       exit(1);
     }
   if ((pid = fork()) < 0) 
     {
        perror("fork");
        exit(1); 
      }
    if (pid > 0) { /* parent */ 
         close(fd[0]);
         write(fd[1], "hello world\n", 12);
         wait(NULL);
     } 
      else { /* child */
          close(fd[1]);
          n = read(fd[0], line, MAXLINE); write(STDOUT_FILENO, line, n);
         }
       return 0; 
    }
 
 

使用管道有一些限制: 两个进程通过一个管道只能实现单向通信，比如上面的例子，父进程写子进程读，如果 有时候也需要子进程写父进程读，就必须另开一个管道。请读者思考，如果只开一个管道， 但是父进程不关闭读端，子进程也不关闭写端，双方都有读端和写端，为什么不能实现双向 通信?
管道的读写端通过打开的文件描述符来传递，因此要通信的两个进程必须从它们的公共 祖先那里继承管道文件描述符。上面的例子是父进程把文件描述符传给子进程之后父子进程 之间通信，也可以父进程fork两次，把文件描述符传给两个子进程，然后两个子进程之间通 信，总之需要通过fork传递文件描述符使两个进程都能访问同一管道，它们才能通信。
使用管道需要注意以下4种特殊情况(假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标 志):
1.如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了(管道写端的引用计数等于0)，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(管道写端的引用计数大于0)，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(管道读端的引用计数等于0)，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。讲 信号时会讲到怎样使SIGPIPE信号不终止进程。
4.如果有指向管道读端的文件描述符没关闭(管道读端的引用计数大于0)，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。
管道的这四种特殊情况具有普遍意义。非阻塞管道, fcntl函数设置O_NONBLOCK标志
fpathconf(int fd, int name)测试管道缓冲区大小，_PC_PIPE_BUF 。

2.fifo有名管道
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
当只写打开FIFO管道时，如果没有FIFO没有读端打开，则open写打开会阻塞。
FIFO内核实现时可以支持双向通信。(pipe单向通信，因为父子进程共享同一个file 结构体)
FIFO可以一个读端，多个写端;也可以一个写端，多个读端。

3. 内存共享映射
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 
int munmap(void *addr, size_t length);
 
mmap可以把磁盘文件的一部分直接映射到内存，这样文件中的位置直接就有对应的内存 地址，对文件的读写可以直接用指针来做而不需要read/write函数。

如果addr参数为NULL，内核会自己在进程地址空间中选择合适的地址建立映射。如果 addr不是NULL，则给内核一个提示，应该从什么地址开始映射，内核会选择addr之上的某个 合适的地址开始映射。建立映射后，真正的映射首地址通过返回值可以得到。len参数是需 要映射的那一部分文件的长度。off参数是从文件的什么位置开始映射，必须是页大小的整 数倍(在32位体系统结构上通常是4K)。filedes是代表该文件的描述符。

prot参数有四种取值:

* PROT_EXEC表示映射的这一段可执行，例如映射共享库 * PROT_READ表示映射的这一段可读
* PROT_WRITE表示映射的这一段可写
* PROT_NONE表示映射的这一段不可访问

flag参数有很多种取值，这里只讲两种，其它取值可查看mmap(2)

* MAP_SHARED多个进程对同一个文件的映射是共享的，一个进程对映射的内存做了修 改，另一个进程也会看到这种变化。
* MAP_PRIVATE多个进程对同一个文件的映射不是共享的，一个进程对映射的内存做了修 改，另一个进程并不会看到这种变化，也不会真的写到文件中去。
如果mmap成功则返回映射首地址，如果出错则返回常数MAP_FAILED。当进程终止时，该进程 的映射内存会自动解除，也可以调用munmap解除映射。munmap成功返回0，出错返回-1。

使用mmap映射例子

#include <stdlib.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <fcntl.h>
int main(void)
{
int *p;
int fd = open("hello", O_RDWR); if (fd < 0) {
perror("open hello");
exit(1); }
p = mmap(NULL, 6, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (p == MAP_FAILED) {
perror("mmap");
exit(1); }
close(fd);
p[0] = 0x30313233; munmap(p, 6); return 0;
}
 
 
 
 

* 用于进程间通信时，一般设计成结构体，来传输通信的数据

* 进程间通信的文件，应该设计成临时文件
* 当报总线错误时，优先查看共享文件是否有存储空间

进程间共享通信--写进程例子

/* process_mmap_w.c*/
 #include <stdio.h>
 #include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <fcntl.h> 
#define MAPLEN 0x1000
struct STU { int id;
  char name[20];
  char sex; 
};
void sys_err(char *str, int exitno) {
  error(str);
  exit(exitno); 
}
int main(int argc, char *argv[]) 
{
  struct STU *mm; int fd, i = 0; 
  if (argc < 2) {
    printf("./a.out filename\n");
    exit(1); 
    }
   fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0777);
   if (fd < 0)
      sys_err("open", 1);
   if (lseek(fd, MAPLEN-1, SEEK_SET) < 0) 
      sys_err("lseek", 3);
   if (write(fd, "\0", 1) < 0) 
      sys_err("write", 4);
   mm = mmap(NULL, MAPLEN, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
   if (mm == MAP_FAILED)
       sys_err("mmap", 2); close(fd);
   while (1) { mm->id = i;
     sprintf(mm->name, "zhang-%d", i);
     if (i % 2 == 0)
        mm->sex = 'm';
     else
        mm->sex = 'w'; 
     i++;
     sleep(1); 
   }
   munmap(mm, MAPLEN);
   return 0; 
}
进程间共享通信--读进程例子

/* process_mmap_r.c*/ 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <fcntl.h> 
#define MAPLEN 0x1000
struct STU 
{ 
   int id;
   char name[20];
   char sex; 
};
void sys_err(char *str, int exitno)
 {
    perror(str);
    exit(exitno); 
}
int main(int argc, char *argv[]) {
    struct STU *mm; 
    int fd, i = 0; 
    if (argc < 2) {
        printf("./a.out filename\n");
        exit(1); 
    }
    fd = open(argv[1], O_RDWR); 
    if (fd < 0)
       sys_err("open", 1);
    mm = mmap(NULL, MAPLEN, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 
    if (mm == MAP_FAILED)
       sys_err("mmap", 2);
    close(fd); 
    unlink(argv[1]);
    while (1) {
     printf("%d\n", mm->id); 
     printf("%s\n", mm->name); 
     printf("%c\n", mm->sex); 
     sleep(1);
    }
 munmap(mm, MAPLEN); 
 return 0;
}

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