UNIX环境高级编程（15-进程间通信）

目录

• 管道
  • 连接到另一个进程
  • 协同进程
  • FIFO
    • 实例
• XSI IPC
  • 消息队列
  • 信号量
  • 共享存储
• POSIX信号量
  • 创建与销毁
    • 命名信号量
    • 未命名信号量
  • 信号量操作

本章主要介绍一些进程间通信的方式，如管道、消息队列、信号量和共享存储等。

管道

一般来说，管道是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），并且只能在具有公共祖先的两个进程之间使用。通常，父进程创建管道后会接着调用fork，从而利用管道在父子进程之间通信。

之后，父子进程可以分别关闭管道的读/写端，以利用管道在父子进程中传递信息。例如，如果想要创建从父进程到子进程的管道，则可以关闭父进程的读端和子进程的写端。

由于管道半双工的特性，想要在父子进程间双向传递信息需要建立2个管道。

#include <unistd.h>
// Returns: 0 if OK, −1 on error
int pipe(int fd[2]);

利用pipe函数可以创建管道，fd参数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。

在上面的例子中，父进程关闭fd[0]，子进程关闭fd[1]，那么最后的示意图如下：

注意：

• 当读一个写端被关闭的管道，在所有数据被读取后，read返回0
• 当写一个读端被关闭的管道，会产生SIGPIPE信号。如果忽略该信号或从信号处理程序返回，则write返回-1，且设置errno为EPIPE
• 写入不超过PIPE_ BUF 字节的操作是原子的，如果写入数据的大小超过该值，在多个进程同时写一个管道时，所写的数据可能交叉

连接到另一个进程

管道的通常用法是创建一个连接到另一个进程的管道，然后读取其输出或者向其输入端发送数据。可以使用popen和pclose实现这一功能。这两个函数实现的操作是：创建一个管道，fork一个子进程，关闭未使用的管道，执行shell运行命令，然后等待命令终止。

#include <stdio.h>
// Returns: file pointer if OK, NULL on error
FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);
// Returns: termination status of cmdstring, or −1 on error
int pclose(FILE *fp);

popen先执行fork，然后调用exec执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针，如果type是"r"，则文件指针连接到cmdstring的标准输出，如果是"w"则连接到标准输入，如下图所示：

cmdstring会以sh -c cmdstring的方式执行。

pclose函数关闭标准I/O流，等待命令终止，然后返回shell的终止状态。（注意不要使用fclose函数，它不会等待子进程结束）

协同进程

UNIX系统过滤程序从标准输入读取数据，向标准输出写数据。几个过滤程序通常在shell管道中线性连接。当一个过滤程序既产生某个过滤程序的输入，又读取该过滤程序的输出时，它就变成了协同进程（coprocess）。

要实现协同进程，需要创建两个管道，分别作为协同进程的标准输入和输出，示意图如下：

子进程的参考代码如下：

close(fd1[1]);
close(fd2[0]);
if (fd1[0] != STDIN_FILENO) {
    if (dup2(fd1[0], STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
        err_sys("dup2 error to stdin");
    close(fd1[0]);
}
if (fd2[1] != STDOUT_FILENO) {
    if (dup2(fd2[1], STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
        err_sys("dup2 error to stdout");
    close(fd2[1]);
}
if (execl("./add2", "add2", (char *)0) < 0)
    err_sys("execl error");

dup2函数用于复制指定的文件描述符，它将两个管道描述符分别连接到标准输入和输出。

注意：

在协同进程中如果需要使用标准I/O（如fgets），则要额外注意其缓冲机制。对于管道，其默认是全缓冲的，可以通过调用fflush或者设置缓冲模式（setvbuf/setbuf）来解决。

FIFO

FIFO也被称为命名管道，它使得不相关的进程间也能交换数据。

FIFO也是一种文件类型，创建FIFO与创建文件类似，需要指定其路径。

#include <sys/stat.h>
// Both return: 0 if OK, −1 on error
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);
int mkfifoat(int dirfd, const char *path, mode_t mode);

mode参数指明FIFO的文件权限，与open函数中的mode相同。

mkfifoat函数的path参数有如下几种情况：

• 如果指定为绝对路径，则会忽略dirfd参数，行为与mkfifo类似
• 如果指定为相对路径，则该路径与dirfd打开的目录有关
• 如果指定为相对路径，且dirfd有参数AT_FDCWD，那么路径以当前目录开始

创建完成后，就可以使用open打开FIFO。

在打开时如果没有设置非阻塞标志O_NONBLOCK，那么如果以只读方式打开（O_RDONLY），进程会被阻塞直到其他进程为写而打开这个FIFO，同理，只写方式（O_ WRONL ）打开也会阻塞。

但是，不应该使用O_RDWR的方式来绕过这种阻塞行为，而应该使用非阻塞标志。使用读写方式打开FIFO，会导致读取数据时永远看不到文件结束，因为至少会有一个写描述符是打开着的。

实例

可以使用FIFO进行客户进程与服务器进程之间的通信。每个客户进程可以将自己的请求写到一个公共的FIFO文件中（请求长度需要小于PIPE_BUF以避免客户进程之间的数据交叉），服务器进程针对每个客户进程创建FIFO，用于向客户进程发送数据。客户进程的FIFO的路径名可以使用客户进程的PID号作为基础，如/tmp/servv1.PID，这样客户进程就直到该从哪个FIFO读取服务器进程返回的数据了。

XSI IPC

这一部分主要包含3种IPC方式：消息队列、信号量和共享存储器。

每个IPC对象与键（key）相关联，以使得多个进程可以通过它进行联系。在创建IPC结构时，必须指定一个键。而在系统内部，则使用标识符引用IPC结构。

关于键的创建方式，主要有如下几种：

• 指定为IPC_PRIVATE，这会创建一个新的IPC结构，可以将返回的标识符存入文件供其他进程使用，也可直接给fork后的子进程使用

• 在公共头文件中定义一个键，然后由一个进程（通常是服务器进程）根据这个键来创建新的IPC结构。但是这种方式可能会与已经存在的键冲突，需要进程删除原有的IPC结构再重新创建。

• 使用ftok函数，将路径名和某个数字（0-255）变换为一个键。

  #include <sys/ipc.h>
  // Returns: key if OK, (key_t)−1 on error
  key_t ftok(const char *path, int id);
  

  path参数必须引用的是现有的文件，id参数只使用其低8位。

另外，在创建IPC结构时还需要指定其权限，与文件权限类似，但是不存在执行权限。

注意：

• IPC_PRIVATE只能用于创建新的IPC结构，而不能用来引用一个现有的IPC结构。
• 如果希望确保新创建的IPC结构没有引用具有同一标识符的现有IPC结构，则可以在flag中同时指定IPC_CREAT和IPC_EXCL。这样，如果已经存在则会返回EEXIST。

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。以下简称队列。

相关的数据结构很少用到，再次不再列出，后面的信号量和共享存储同理。需要的话可以到对应的头文件中查看。

示例代码参考https://gitee.com/maxiaowei/Linux/blob/master/apue/ch15/ipc_msg.c

msgget用于创建或打开一个队列。

#include <sys/msg.h>
// Returns: message queue ID if OK, −1 on error
int msgget(key_t key, int flag);

key参数可以是通过ftok函数生成的，也可以是IPC_PRIVATE。flag用于设定读写权限，如果是新建该IPC结构则可以添加IPC_CREAT。

// Returns: 0 if OK, −1 on error
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t nbytes, int flag);

msgsnd将新消息添加到队列尾端。

msqid是get函数返回的队列ID，nbytes是消息数据的长度。

ptr指向一个结构，其包含一个正的消息类型，和消息数据（nbytes为0则无消息数据），可以定义其结构如下：

struct msgbuf {
    long mtype;       /* message type, must be > 0 */
    char mtext[1];    /* message data, of length nbytes */
};

flag可以指定为IPC_NOWAIT，当消息队列满时（或达到系统限制），会立即出错返回EAGAIN。否则，进程会一直阻塞直到：有空间容纳消息；队列被删除（返回EIDRM)；或捕捉到信号并从处理程序返回（返回EINTR）。

// Returns: size of data portion of message if OK, −1 on error
ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag);

msgrcv用于从队列中取出消息，可以指定获取某些类型的数据，而不是必须按照先进先出的次序。

ptr指向的结构与snd函数一样，而nbytes则指定了消息长度，如果返回的消息长度>nbytes，而flag中设置了MSG_NOERROR，则消息被截断。如果没有设置则出错返回E2BIG，而消息仍然留在队列中。

type可以指定想要获取的消息：

• type==0：返回队列中的第一个消息
• type>0：返回消息类型为type的第一个消息
• type<0：返回消息类型≤type绝对值的消息，如果有若干个满足则取类型最小的。

flag参数同样可以指定为非阻塞。

// Returns: 0 if OK, −1 on error
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf );

msgctl函数对队列执行多种操作。

cmd参数指定队列需要执行的操作：

• IPC_STAT：获取队列的msqid_ds结构信息，存放于buf指向的结构中
• IPC_SET：将msg_perm.uid，msg_perm.gid，msg_perm.mode和msg_qbytes通过buf复制到队列的msqid_ds结构中。该命令只能由超级用户或者有效用户ID等于msg_perm.cuid或msg_perm.uid的用户执行。
• IPC_RMID：删除队列及其中的数据。也只能由上述的两类用户执行。

这3条命令也适用与信号量（semctl）和共享存储（shmctl）。

信号量

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。

示例代码：https://gitee.com/maxiaowei/Linux/blob/master/apue/ch15/ipc_sem.c

XSI信号量需要定义为一个或多个信号量的合集，因此在创建的时候需要指明信号量的个数，在使用的时候也要指明用的是哪个信号量。

#include <sys/sem.h>
// Returns: semaphore ID if OK, −1 on error// 
int semget(key_t key, int nsems, int flag);

semget用于创建或打开一个信号量合集。相关参数的与上一节的队列相似，多出来的nsems用于指定该集合中的信号量数。如果是创建新集合，则需要指定数量；如果是引用现有的集合，则将其设置为0。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */ );

semctl包含多种信号量操作。

第4个参数arg由cmd的实际值来决定是否使用，注意该参数并不是指针。如果需要使用该参数，其类型需要自己定义，一般定义为如下形式：

union semun {
    int              val;   /* for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;   /* for IPC_STAT and IPC_SET */
    unsigned short  *array; /* for GETALL and SETALL */
};

参数semnum用于指定信号量集合中的某个成员，该值在0 ~ nsmes-1之间。

cmd由如下10个可选项：

• IPC_STAT，IPC_SET，IPC_RMID：与队列类似
• GETVAL，SETVAL：返回/设置（通过arg.val）semnum指定的成员的信号量值（semval）
• GETPID，GETNCNT，GETZCNT：返回指定成员的sempid，semncnt，semzcnt
• GETALL，SETALL：取/设置所有的信号量值（通过arg.array）

除GETALL以外所有的GET命令都由函数的返回值返回，其他命令则是成功返回0，失败返回-1并设置errno。

// Returns: 0 if OK, −1 on error
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

semop函数自动执行信号量集合上的操作数组。

nops是数组semoparray的元素个数。

semoparray是一个信号量操作数组，其中存放每个信号量的操作，其结构如下：

struct sembuf {
  unsigned short sem_num; /* member # in set (0, 1, ..., nsems-1) */
  short          sem_op;  /* operation (negative, 0, or positive) */
  short          sem_flg; /* IPC_NOWAIT, SEM_UNDO */
};

sem_flg的SEM_UNDO标志标识当进程终止时，该操作修改的信号量值会被恢复，即重新设置为调用该操作之前的数值。

sem_op可以指定如下3种值：

• 正值，表示进程释放的占用的资源数，sem_op值会加到对应的信号量的值上。
• 0，表示进程希望等待该信号量值变为0。IPC_NOWAIT标志可以控制进程是否阻塞，相关的出错返回信息可以查阅手册，此处省略。
• 负值，表示进程想要获取的资源数。如果信号量值≥sem_op的绝对值（满足需求），则会从当前的信号量值上减去对应的值，否则由IPC_NOWAIT标志决定进程是否阻塞。

semop函数具有原子性，即要么执行数组中所有的操作，要么什么也不做。

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。但是，需要注意存储区访问的同步问题，当进程在写入数据时其他进程不应该去读取这些数据。一般使用信号量来解决这一同步问题。

相比与通过文件映射的方式来共享存储区的方式，XSI共享存储没有相关的文件，它共享的是内存的匿名段。

示例代码：https://gitee.com/maxiaowei/Linux/blob/master/apue/ch15/ipc_shm.c

#include <sys/shm.h>
// Returns: shared memory ID if OK, −1 on error
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

shmget函数用于创建或引用一个共享存储段，在创建时size指定段的大小（单位是字节），若要引用一个现存的段，则应该设置为0。实现一般将大小向上取整为系统页长的整数倍，若指定的size不是整数倍，则余下的空间是不可使用的。

// Returns: 0 if OK, −1 on error
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf );

shmctl函数对共享存储段执行多种操作。主要有IPC_STAT，IPC_SET和IPC_RMID，相关解释可以参考消息队列部分。

另外，Linux中还额外提供额外的命令支持，可以参考手册shmctl(2) 。

// Returns: pointer to shared memory segment if OK, −1 on error
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);

shmat用于将共享存储段连接到进程的地址空间。具体连接到地址空间的什么位置由2、3两个参数决定。

• addr=0，则连接到内核选择的第一个可用地址上。（推荐）
• addr≠0，且flag没有指定SHM_RND，那么连接到addr指定的地址。
• addr≠0，且指定了SHM_RND，那么系统会按照公式(addr-(addr % SHMLBA))决定连接地址。该公式作用是将地址向下取最近的SHMLBA的倍数，而常数SHMLBA表示“低边界地址倍数”。

flag还可以指定SHM_RDONLY以只读方式连接共享段。

// Returns: 0 if OK, −1 on error
int shmdt(const void *addr);

shmdt用于分离共享存储段。这一操作不会删除系统中共享存储段的标识符及其数据结构。想要删除对应的数据结构，需要调用shmctl的IPC_RMID命令。

POSIX信号量

POSIX信号量与XSI信号量最大的不同就是没有信号量集的概念，一次只能操作一个信号量。还有就是在删除信号量时，正在使用XSI信号量的操作会失败；而POSIX信号量的操作会正常执行，直到该信号量的最有一个引用被释放。

POSIX信号量有两种形式：命名的和未命名的。两者的差异在于创建和销毁的形式上，使用的方式是一样的。未命名的信号量只存在于内存中，因此想要使用这些信号量的进程需要有对应的访问权限，如同一进程中的线程，或者是不同进程中映射相同的内存内容到自己的地址空间的线程。而命名信号量可以被任何直到它们名字的进程访问。

示例代码：https://gitee.com/maxiaowei/Linux/blob/master/apue/ch15/ipc_psem.c

创建与销毁

命名信号量

给信号量命名需要遵守一定的规则：

• 名字的第一个字符应该是/。因为一般POSIX信号量的实现要使用文件系统。
• 名字不应该包含其他斜杠。
• 名字长度是实现定义的，不应长于_POSIX_NAME_MAX。

#include <semaphore.h>
// Returns: Pointer to semaphore if OK, SEM_FAILED on error
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, ... /* mode_t mode,
              unsigned int value */ );

sem_open用于创建一个新的信号量或使用一个现有的信号量。

当想要使用一个现有的信号量时，只需指定其名字，并将oflag设为0。

当oflag包含O_CREAT标志时，如果信号量不存在则会创建新的，如果存在则会被使用，但不会重新初始化。指定此标志时，还需要提供后面的2个参数。mode指定访问权限，这与打开文件的权限相同；value指定信号量的初值。

如果oflag同时指定了O_EXCL标志，则在创建信号量时，如果信号量已经存在就会出错。

// Both return: 0 if OK, −1 on error
int sem_close(sem_t *sem);
int sem_unlink(const char *name);

sem_close用于关闭一个信号量，释放相关资源。进程退出时如果没有调用该函数，系统也会自动关闭打开的信号量。POSIX信号量没有UNDO机制，所以信号量的值不会受到影响。

sem_unlink用于销毁信号量，删除信号量的名字。如果没有打开的信号量引用，信号量会被立即销毁，否则会延迟到最后一个打开的引用关闭。

未命名信号量

这种形式的信号量主要用于单个进程。

// Both return: 0 if OK, −1 on error
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_init用于创建一个未命名信号量。

• value指定其初值。

• pshared值为0时，信号量仅在进程的线程之间共享；不为0则表明会在进程之间共享。

sem_destroy用于销毁未命名信号量。销毁之后不能使用任何带有sem的信号量函数，除非通过sem_init重新初始化它。

信号量操作

与XSI信号量不同，POSIX信号量一次操作只能+1或者-1。

#include <time.h>
// All return: 0 if OK, −1 on error
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *restrict sem,
                  const struct timespec *restrict tsptr);

这3个函数实现信号量的-1操作。

当信号量计数为0时，使用sem_wait函数会阻塞，直到成功使信号量-1或者被信号中断；而sem_trywait会返回-1且设置errno为EAGAIN。

使用sem_timedwait可以设定等待时间，超时后会返回-1且设置errno为ETIMEOUT。

// Returns: 0 if OK, −1 on error
int sem_post(sem_t *sem);

调用sem_post会使信号量计数+1。如果有进程被改信号量阻塞，那么进程会被唤醒。

// Returns: 0 if OK, −1 on error
int sem_getvalue(sem_t *restrict sem, int *restrict valp);

sem_getvalue函数用于获取信号量值，该数值存储在valp指向的地址处。注意函数返回的数值有可能是过时的。