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  • Linux C/C++编程之（十七）进程间通信

    文章目录

    一、概述

    在这里插入图片描述

    二、进程间通信概念及方法

    Linux环境下，进程地址空间相互独立，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，所以进程和进程之间不能相互访问。

    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）。
    在这里插入图片描述
    在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。

    现今常用的进程间通信方式有：
    1）管道 (使用最简单)
    2）信号 (开销最小)
    3）共享映射区 (无血缘关系)
    4）本地套接字 (最稳定)

    进程间通信方法介绍

    1. 管道的概念

    管道是一种最基本的IPC机制，作用于 有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。

    有如下特质：
    1） 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
    2）由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
    3） 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

    管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

    管道的局限性：
    1） 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
    2） 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
    3） 只能在有公共祖先的进程间使用管道。

    常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

    2. pipe

    创建管道 int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失败：-1，设置errno

    函数调用成功，返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。

    规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。

    向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。

    如何实现父子进程间通信呢？

    通常可以采用如下步骤：
    在这里插入图片描述

    1）父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。
    2）父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
    3）父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

    练习：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并打印到屏幕？
    在这里插入图片描述
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    3. 管道的读写行为

    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（管道写端引用计数为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（管道读端引用计数为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。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。
    4）如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于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。

    总结：
    1）读管道：

    1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
    2. 管道中无数据：
      (1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)
      (2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

    2）写管道：

    1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
    2. 管道读端没有全部关闭：
      (1) 管道已满，write阻塞。
      (2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

    练习1：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc -l。假定父进程实现ls，子进程实现wc？
    注意：

    • ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；
    • wc -l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。

    实现父进程ls 子进程wc -l
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    父子进程实现ps aux | grep bash
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    练习2：使用管道实现兄弟进程间通信。 兄：ls 弟： wc -l 父：等待回收子进程？要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。
    注意管道读写行为。
    实现思路：父进程关闭读写端，两个子进程，一个关闭管道的读端去写，一个关闭管道的写端去读。

    兄弟进程间实现ls | wc -l
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    兄弟进程实现ps aux | grep bash
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    测试：是否允许，一个pipe有一个写端多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？

    • 一写多读
      结论：一个读多个写会hang住。
    • 多写一读
      结论：一个写多个读会hang住。

    4. 管道缓冲区大小

    可以使用ulimit -a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。

    通常为：
    在这里插入图片描述
    也可以使用fpathconf函数，借助参数选项来查看。

    5. 管道优劣

    • 优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。
    • 缺点：
      1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
      2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信，该问题后来使用fifo有名管道解决。

    6. FIFO

    FIFO常被称为有名管道，以区分管道(pipe)。

    • 管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。
    • 但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

    FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。

    创建方式：

    1. 命令：mkfifo 管道名
    2. 库函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0； 失败：-1

    一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo，如：close、read、write、unlink等。

    fifo_w.c
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    fifo_r.c
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    注意：
    Opening the read or write end of a FIFO blocks until the other end is also opened (by another process or thread). See fifo(7) for further details.
    open注意事项，打开fifo文件的时候，read端会阻塞等待write端open，write端同理，也会阻塞等待另外一端打开。

    7. 共享存储映射

    （1）文件进程间通信

    使用文件也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符，也就共享打开的文件。

    （2）存储映射IO

    存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

    使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

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    8. mmap函数

    在这里插入图片描述 返回：

    • 成功：返回创建的映射区首地址；
    • 失败：MAP_FAILED宏

    参数：

    • addr：建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL
    • length：欲创建映射区的大小
    • prot： 映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
    • flags：标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)
    • MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。
    • MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。
    • fd：用来建立映射区的文件描述符
    • offset：映射文件的偏移(4k的整数倍)

    9. munmap函数

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    同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。
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    执行结果：

    执行map.c之前，mem.txt大小为30，代码中 ftruncate(fd,8); 将文件截断为8个字节大小，共享映射为20个字节，虽然文件大小（8） < 映射区大小（20），映射区可以存储helloworld（10），同时修改文件mem.txt内容。
    在这里插入图片描述
    借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？

    10. mmap九问

    1. 如果更改mem变量的地址，释放的时候munmap，传入mem还能成功吗？ 不能！！
    2. 如果对mem越界操作会怎么样？ 文件的大小对映射区操作有影响，尽量避免。
    3. 如果文件偏移量随便填个数会怎么样？ offset必须是4k的整数倍。
    4. 如果文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？没有影响。
    5. open的时候，可以新创建一个文件来创建映射区吗？不可以用大小为0的文件。
    6. open文件选择O_WRONLY，可以吗？ 不可以： Permission denied。
    7. 当选择MAP_SHARED的时候，open文件选择O_RDONLY，prot可以选择PROT_READ|PROT_WRITE吗？Permission denied ，SHARED的时候，映射区的权限 <= open文件的权限。
    8. mmap什么情况下会报错？很多情况。
    9. 如果不判断返回值会怎么样？ 会死的很难堪！！

    总结：使用mmap时务必注意以下事项：

    1. 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
    2. 当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
    3. 映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。
    4. 特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！ mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
    5. munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作
    6. 文件偏移量必须为4K的整数倍
    7. mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

    11. mmap父子进程间通信

    父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

    • MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区；
    • MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区；

    练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，而后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。
    在这里插入图片描述
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    结论：

    父子进程共享：1. 打开的文件 2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)

    12. 匿名映射

    通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。

    可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。

    使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)， 如:

    int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

    需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。

    1）fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
2）p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);

    在这里插入图片描述
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    13. mmap无血缘关系进程间通信

    实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。

    mmap_w.c
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    mmap_r.c
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    3. 练习

    1. 通过命名管道传输数据，进程A和进程B，进程A将一个文件发送给进程B？

    file2fifo.c
    在这里插入图片描述
    fifo2file.c
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    1. 实现多进程拷贝文件？
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <sys/types.h>
4 #include <fcntl.h>
5 #include <sys/mman.h>
6 #include <stdlib.h>
7 #include <string.h>
8 #include <sys/stat.h>
9 #include <wait.h>
10 int main(int argc, char *argv[])
11 {
12     //拷贝文件起的进程数，通过参数输入，默认是5个
13     int n = 5;
14     //输入参数至少是3，第4个参数是进程个数
15     if (argc < 3)
16     {
17         printf("./a.out src dst [n]
");
18         return -1;
19     }
20     if (argc == 4)
21     {
22         n = atoi(argv[3]);
23     }
24 
25     //打开源文件
26     int srcfd = open(argv[1], O_RDONLY);
27     if (srcfd < 0)
28     {
29         perror("open src err:");
30         exit(1);
31     }
32 
33     //打开目标文件
34     int dstfd = open(argv[2], O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
35     if (dstfd < 0)
36     {
37         perror("open dst err:");
38         exit(1);
39     }
40 
41     //目标拓展，从源文件获得文件大小，stat
42     struct stat sb;
43     stat(argv[1], &sb);
44     //将目标文件设置为和源文件大小相同
45     int len = sb.st_size;
46     truncate(argv[2], len);
47 
48     //将源文件映射到缓冲区
49     char *psrc = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, srcfd, 0);
50     if (psrc == MAP_FAILED)
51     {
52         perror("mmap src err:");
53         exit(1);
54     }
55 
56     //将目标文件映射
57     char *pdst = mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, 
						MAP_SHARED, dstfd, 0);
58     if (pdst == MAP_FAILED)
59     {
60         perror("mmap pdst err:");
61         exit(1);
62     }
63     //创建多个子进程
64     int i = 0;
65     for (i = 0; i < n; i++)
66     {
67         if (fork() == 0)
68         {
69             break;
70         }
71     }
72     //计算子进程需要拷贝的起点大小
73     int cpsize = len/n;
74     int mod = len%n;
75     //数据拷贝，memcpy
76     if (i < n)
77     {
78         //最后一个子进程
79         if (i == n-1)
80         {
81             memcpy(pdst+i*cpsize, psrc+i*cpsize, cpsize+mod);
82         }
83         else 
84         {
85             memcpy(pdst+i*cpsize, psrc+i*cpsize, cpsize);
86         }
87     }
88     else
89     {
90         for (i = 0; i < n; i++)
91         {
92             //回收子线程
93             wait(NULL);
94         }
95     }
96     //释放映射区
97     if (munmap(psrc, len) < 0)
98     {
99         perror("munmap src err:");
100         exit(1);
101     }
102 
103     if (munmap(pdst, len) < 0)
104     {
105         perror("munmap dst err:");
106         exit(1);
107     }
108 
109     //关闭文件
110     close(srcfd);
111     close(dstfd);
112     
113     return 0;
114 }

    在这里插入图片描述
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