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学习笔记：进程间通信

操作系统 学习笔记
字数统计: 2.2k阅读时长: 8 min
2020/05/07 Share

进程间通信（ Inter Process Communication, IPC ) 指在不同的进程之间传播或交换信息。常用的进程间通信方法有：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接字等， 其中前4种主要用于同一台机器上的进程间通信，而套接字主要用于跨机器的网络通信。

管道

管道是一种两个进程间进行单向通信的机制。因为其单向性，管道又被称为半双工通信。

无名管道

无名管道具有以下特点：

  • 数据只能从一个进程流向另一个进程（一个读管道、一个写管道）；如要进行双工通信，需要建立两个管道。
  • 管道只能用于具有亲缘关系（父子、兄弟进程）的进程间通信。
  • 管道没有名字（无名管道）。
  • 缓冲区大小受限，传输的是无格式的字节流，需管道通信双方事先约定好数据格式。
  • 从本质上说，管道也是一种文件，但只存在于内存中。

无名管道由 pipe()创建， 管道两端分别用描述符fd[0]以及fd[1]表示，前者为读端，后者为写段。一个进程用pipe()创建管道后，fork一个子进程，再通过管道实现两者之间的通信。要实现读写，只需将无关的两个文件描述符关闭即可。

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#include <unistd.h>

int pipe(int fd[2]);

有名管道

有名管道（ FIFO ） 提供一个路径名与之关联，以 FIFO 的文件形式存在于文件系统中。这样只需访问该路径，即可通过 FIFO相互通信。

有名管道与无名管道的区别

有名管道有以下特点：

  • 它可以使互不相关的两个进程间实现彼此通信
  • 该管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中是可见的
  • 在建立了管道之后，两个进程就可以把它当作普通文件一样进行读写操作，使用非常方便
  • FIFO 严格地遵循先进先出规则，对管道及 FIFO 的读操作总是从开始处返回数据，对它们的写操作则是把数据添加到末尾 。

有名管道由 mkfifo() 函数来创建，一般文件的 I/O 函数均可用于 FIFO ， 如 close()、read()、write()等。

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#include <sys/types .h>
#include <sys/stat .h>

// 第一个参数为路径名，第二个参数与打开普通文件的 open() 函数的 mode 参数相同
int mkfifo (canst char * pathname , mode t mode);

有名管道的安全性

由于有名管道支持一对多的形式，多个进程同时向一个 FIFO 文件中写数据，一个进程从其中读取数据，是可能发现数据块的相互交错的。

为了解决这个问题，Unix 提供了写操作的原子化：在一个以 O_WRONLY （堵塞只写）打开的 FIFO 中，如果写入的数据长度小于 PIPE_BUF (管道写入最大值)，那么要么全部写入，要么一个不写。以此来保证数据不会交错。

通过客户端在向服务端发送信息前先建立以自己的进程号 （ pid ) 命名的读入管道，告知服务器将其作为回复数据的写入管道，可以以此实现一对多双向交流。

消息队列

消息队列是在系统内核中保存消息的队列，以消息链表的形式出现。链表中的节点以 msg 声明。

  1. 创建新队列或取得已存在消息队列：

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    int msgget(key_t key, int msgflg);

    key 为端口号，可以由函数 ftok 生成
    msgflg 如果等于 IPC_CREAT 若无该队列，则创建并返回新标识符，已存在则返回原标识符
    msgflg 如果等于 IPC_EXCL 若无该队列，则返回 -1, 若存在，则返回 0

  2. 向队列中读 / 写消息：

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    // 缓冲区通用结构
    struct msgstru {
        long mtype; // 大于0
        char mtext[512];
    };

    // 从队列中取用消息
    ssize_t msgrcv （int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

    // 将数据放到消息队列中
    int msgsnd （int msqid, canst void *msgp, size_t msgsz ，int msgflg);

msqid 为消息队列标识符
msgp 为指向消息缓冲区的指针，用于暂时存储发送和接收的消息
msgsz 消息的大小
msgtyp 从消息队列中读取的消息形式，为0 则读取所有消息
msgflg 指明程序在队列没有数据时该采取的行动

  1. 设置消息队列属性;
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int msgctl （int msgqid, int cmd, struct msqid_ds *buf );

msgctl 系统调用对 msgqid 标识的消息队列执行 cmd 操作，系统定义了三种 cmd 操作：
IPC_STAT 用来获取对应的 msqid_ds 数据结构，并保存到 buf 指定的内存空间
IPC_SET 用来设置属性，要设置的属性存储在 buf 中
IPC_RMID 用来从内核中删除 msqid 标识的消息队列

相比有名管道，消息队列的优势在于：

  • 消息队列独立于发送和接收进程而存在
  • 可以同时发送消息，避免了命名管道的同步和阻塞问题
  • 接收程序可以根据消息类型有选择地接收数据

消息管道是一种正逐渐被淘汰的通信方式。

共享内存

共享内存是允许两个不相关的内存访问同一块物理内存。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间里，就像是用函数 malloc 分配的内存一样。 但共享内存为提供同步机制，需要其他机制来同步对共享内存的访问。

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#include <sys/shm.h>

int shmget(key_ t key, int size , int flag) ;

key 为共享内存命名， shmget 函数运行成功返回一个与 key 相关的共享内存标识符，用于后续的共享函数，失败返回 -1。
size 以字节为单位指定共享的内存容量。
shmflg 为与 open 函数的 mode 参数一样的权限标志， 可与 IPC_CREAT 做或操作实现不存在时创建共享内存。

共享内存创建后，使用 shmat将其连接到自己的地址空间

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void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);

shmid 为 shmget 函数返回的标识符

shmdt 函数用于将共享内存从当前进程分离，不是删除。

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int shmdt(const void *shmaddr);

shmaddr 是shmat 函数的返回指针，调用成功返回0，失败返回 -1.

使用共享内存的优缺点如下所述：

  • 优点：使用共享内存进行进程间的通信非常方便，而且函数的接口也简单，数据的
    共享还使进程间的数据不用传送，而是直接访问内存，也加快了程序的效率。同时，它也不
    像无名管道那样要求通信的进程有一定的父子关系。
  • 缺点：共享内存没有提供同步的机制，这使得在使用共享内存进行进程间通信时，
    往往要借助其他的手段来进行进程间的同步工作。

信号量

多线程同步使用的信号量是 POSIX 信号量，而多进程同步使用的是 SYSTEM V 信号量。

常用函数如下：

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#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

struct sembuf {
    short sem_num;      // 选定要操作的信号量序号
    short sem_op;       // 信号量在一次操作中需要改变的数据： -1：P 操作， 1：V 操作
    short sem_flg;      // 通常为 SEM_UNDO，使操作系统跟踪信号
                        // 在进程没有释放信号量而终止时，操作系统释放信号量。
};

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

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

semget 函数中，参数 key 是通过调用 ftok 函数得到的键值， nsems 代表创建信号量个数，如果只是访问而不创建则指定为0，一旦创建了该信号量就不能改变其个数。 semflg 指定信号量读写权限，不可加 IPC_CREAT。
semop 函数用于改变信号量的值，sem_id 为 semget 返回的信号量标识符，sembuf 结构如上。
semctl 函数用于控制信号量信息，cmd 通常是 SETVAL 或 IPC_RMID，前者初始化信号量为一个已知的值，由 union semun 中的 val 成员设置。 IPC_RMID 用于删除一个信号量标识符。

共享内存是进程间通信的最快的方式，但是共享内存的同步问题自身无法解决（即进程该何时去共享内存取得数据，而何时不能取），但用信号量即可轻易解决这个问题。

学习资料

《后台开发 核心技术与应用实践 第11章 进程间通信》

原文作者：枫逸

原文链接：https://www.pengchen.top/posts/11653/

发表日期：May 7th 2020, 9:19:58 pm

更新日期：September 5th 2020, 1:44:05 am

版权声明：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

CATALOG
  1. 1. 管道
    1. 1.1. 无名管道
    2. 1.2. 有名管道
    3. 1.3. 有名管道的安全性
  2. 2. 消息队列
  3. 3. 共享内存
  4. 4. 信号量
  5. 5. 学习资料
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