Linux-IPC进程间通信（day11）

一、IPC进程间通讯（system v IPC）

二、网络基础知识

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一、IPC进程间通讯（system v IPC）

包含三个方面：

1、消息队列

2、共享内存

3、信号量集

 可以使用ipcs查看system v IPC的对象

IPC的操作主要有以下几个步骤：

1、获取一个键值

　　ftok(3)

　　#include<sys/types.h>

　　#include<sys/ipc.h>

　　key_t ftok(const char *pathname,int proj_id);

　　功能：

　　　　转换pathname和proj_id为一个键值

　　参数：

　　　　pathname：指定文件名字

　　　　proj_id：整数，不能为0

　　返回值：

　　　　成功：key值返回

　　　　错误：-1，errno被设置

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>
#inlcude<stdio.h>

int main(void){
    key_t key;
    key=ftok("hello",31);
    if(key==-1){
        perror("ftok");
        return 1;
    }
    printf("key=%d
",key);
    return 0;
}

键值是由文件名和proj_id决定的，且是唯一不变的。

2、通过键值获取一块内存，并返回这块内存的ID（IPC的ID，即标识符）

（1）消息队列

msgget(2)（获取内存ID）

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key,int magflg);

功能：

　　获取一个和key关联的消息队列的ID，（其中key是通过ftok获取的）

参数：

　　key

　　　　0(IPC_PRIVATE)：会建立新的消息队列

　　　　大于0的32位整数：视参数msgflg来确定操作。通常要求此值来源于ftok返回的IPC键值

　　msgflg

　　　　0：取消息队列标识符，若不存在则函数会报错

　　　　IPC_CREAT：当msgflg&IPC_CREAT为真时，如果内核中不存在键值与key相等的消息队列，则新建一个消息队列；如果存在这样的消息队列，返回此消息队列的标识符

　　　　IPC_EXCL：如果内核中不存在键值与key相等的消息队列，则新建一个消息队列；如果存在这样的消息队列则报错

返回值：

 　　失败：-1，errno被设置

　　 成功：消息队列的ID

错误代码

EACCES：指定的消息队列已存在，但调用进程没有权限访问它

EEXIST：key指定的消息队列已存在，而msgflg中同时指定IPC_CREAT和IPC_EXCL标志

ENOENT：key指定的消息队列不存在同时msgflg中没有指定IPC_CREAT标志

ENOMEM：需要建立消息队列，但内存不足

ENOSPC：需要建立消息队列，但已达到系统的限制

 例：

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>
#inlcude<stdio.h>

int main(void){
    key_t key;
    key=ftok("hello",31);
    if(key==-1){
        perror("ftok");
        return 1;
    }
    printf("key=%d
",key);
    //通过键值获取消息队列的ID
    int msqid =msgget(key,IPC_CREAT);
    if(msqid==-1){
        perror("msgget");
        return 2;
    }
    printf("msgqid%d
",msqid);
    return 0;
}        

此时可以使用ipcs查看IPC相关信息，看到key值可ID已经绑定。

消息队列
1 获取键值  ftok(3)
2 获取消息队列的id     msgget(2)
3 向消息队列发送消息   msgsnd(2)
4 从消息队列获取消息    msgrcv(2)

msgsnd（2） (将消息写入到消息队列)

所需头文件

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/msg.h>

函数原型

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)

功能：

将msgp消息写入到标识符为msqid的消息队列

参数：

　　msqid：要操作的消息队列，函数传入值

　　msgp：消息队列标识符，发送给队列的消息。msgp可以是任何类型的结构体，但第一个字段必须为long类型，即表明此发送消息的类型，msgrcv根据此接收消息。msgp定义的参照格式如下：

  　　　struct s_msg{ /*msgp定义的参照格式*/
    　　　　long type; /* 必须大于0,消息类型 */
          　　 char mtext[256]; /*消息正文，可以是其他任何类型*/
    　　  } msgp;

　　msgsz

　　　　要发送消息的大小，不含消息类型占用的4个字节,即mtext的长度

　　msgflg

　　　　0：当消息队列满时，msgsnd将会阻塞，直到消息能写进消息队列

　　　　IPC_NOWAIT：当消息队列已满的时候，msgsnd函数不等待立即返回

　　　　IPC_NOERROR：若发送的消息大于size字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃，且不通知发送进程。

函数返回值

　　成功：0

　　出错：-1，错误原因存于error中

错误代码

　　EAGAIN：参数msgflg设为IPC_NOWAIT，而消息队列已满

　　EIDRM：标识符为msqid的消息队列已被删除

　　EACCESS：无权限写入消息队列

　　EFAULT：参数msgp指向无效的内存地址

　　EINTR：队列已满而处于等待情况下被信号中断

　　EINVAL：无效的参数msqid、msgsz或参数消息类型type小于0

msgrcv (从消息队列读取消息)

所需头文件

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/msg.h>

功能：

　　从标识符为msqid的消息队列读取消息并存于msgp中，读取后把此消息从消息队列中删除

函数原型

　　ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);

参数：

msqid

　　消息队列标识符，同msgsnd

msgp

　　存放消息的结构体，结构体类型要与msgsnd函数发送的类型相同

msgsz

　　要接收消息的大小，不含消息类型占用的4个字节

msgtyp

　　0：接收第一个消息

　　>0：接收类型等于msgtyp的第一个消息

　　<0：接收类型等于或者小于msgtyp绝对值的第一个消息

msgflg

　　0: 阻塞式接收消息，没有该类型的消息msgrcv函数一直阻塞等待

　　IPC_NOWAIT：如果没有返回条件的消息调用立即返回，此时错误码为ENOMSG

　　IPC_EXCEPT：与msgtype配合使用返回队列中第一个类型不为msgtype的消息

　　IPC_NOERROR：如果队列中满足条件的消息内容大于所请求的size字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃

函数返回值

　　成功：实际读取到的消息数据长度

　　出错：-1，错误原因存于error中

错误代码

　　E2BIG：消息数据长度大于msgsz而msgflag没有设置IPC_NOERROR

　　EIDRM：标识符为msqid的消息队列已被删除

　　EACCESS：无权限读取该消息队列

　　EFAULT：参数msgp指向无效的内存地址

　　ENOMSG：参数msgflg设为IPC_NOWAIT，而消息队列中无消息可读

　　EINTR：等待读取队列内的消息情况下被信号中断

msgrcv()解除阻塞的条件有以下三个：

　　①    消息队列中有了满足条件的消息。

　　②    msqid代表的消息队列被删除。

　　③    调用msgrcv()的进程被信号中断。

 

进程A代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/msg.h>
#define MSG_FILE "/home/tarena/server.c"
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
struct msgtype 
{
long mtype;
char buffer[BUFFER+1];
};
int main()
{
struct msgtype msg; 
    key_t key;
int msgid;
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
    {
perror("Creat Key Error");
        exit(1);
    }
if((msgid=msgget(key,PERM | IPC_CREAT | IPC_EXCL))==-1)
    {
perror("Creat Message Error ");
        exit(1);
    }
while(1)
    {
        msgrcv(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype), 1,0);
        printf("Server Receive：%s
",msg.buffer);
        msg.mtype=2;
        msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0);
    }
return 0;
}

可再次使用ipcs查看相关信息，可以看到权限用户等已经被写入。

进程B代码：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/stat.h>
#define MSG_FILE "/home/tarena/server.c"
#define BUFFER 255
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
struct msgtype
{
long mtype;
char buffer[BUFFER+1];
};
int main(int argc,char **argv)
{
struct msgtype msg;
    key_t key;
int msgid;
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
    {
        perror("Creat Key Error");
        exit(1);
    }
if((msgid=msgget(key,PERM))==-1)
    {
        perror("Creat Message Error");
        exit(1);
    }
    msg.mtype=1;
    strcpy(msg.buffer, "这是客户端发出的消息内容");
    msgsnd(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype), 0);
    memset(&msg, '', sizeof(struct msgtype));
    msgrcv(msgid, &msg, sizeof(struct msgtype),2,0);
    printf("Client receive：%s
",msg.buffer);
return 0;
}

（2）共享内存

 和消息队列（使用msgget）一样，可以使用shmget（2）获取共享内存的ID。

#include <sys/types.h> 

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, int size, int flag);

void* shmat(int shmid, const void *addr, int flag); 
int shmdt(char *shmaddr);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
shmget（2）

功能：

　　用于开辟或指向一块共享内存，返回获得共享内存区域的ID，如果不存在指定的共享区域就创建相应的区域。

参数：
　　keyt key： 共享内存的标识符。如果是父子关系的进程间通信的话，这个标识符用IPC_PRIVATE来代替。
　　　　如果两个进程没有任何关系，所以就用ftok()算出来一个标识符（或者自己定义一个）使用了。
　　int size： 以字节为单位指定需要共享的内存容量。
　　int flag： 包含9个比特的权限标志，它是这块内存的模式(mode)以及权限标识。 模式可取如下值：
IPC_CREAT 新建（如果已创建则返回目前共享内存的id）
IPC_EXCL 与 IPC_CREAT结合使用，如果已创建则返回错误
　　将“模式” 和“权限标识”进行或运算，做为第三个参数。如：IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0640
其中0640为权限标识,4/2/1 分别表示读/写/执行3种权限，第一个0是UID,第一个6（4+2）表示拥有者的权限，第二个4表示同组权限，第3个0表示他人的权限。函数调用成功时返回共享内存的ID，失败时返回-1。
　　注：创建共享内存时，shmflg参数至少需要 IPC_CREAT | 权限标识，如果只有IPC_CREAT 则申请的地址都是
k=0xffffffff，不能使用；

shmat（2）

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

功能：

　　用于将共享内存映射到进程的虚拟地址空间中。用来允许本进程访问一块共享内存的函数。第一次创建共享内存时，它不能任何进程访问，要想启用对该共享内存的访问，必须将其连接到一个进程的地址空间中，。shmat函数就是用来完成此工作的。

参数：

　　int shmid ：共享内存的ID，即共享内存的标识。 

　　char *shmaddr： 共享内存连接到进程中的起始地址，如果shmaddr为NULL，内核会把共享内存映射到系统选定的地址空间中；如果shmaddr不为NULL，内核会把共享内存映射到shmaddr指定的位置。
　　注：一般情况下我们很少需要控制共享内存连接的地址，通常都是让系统来选择一个地址，否则就会使应用程序对硬件的依赖性过高。所以一般把shmaddr设为NULL。
　　int shmflag ： 本进程对该内存的操作模式，可以由两个取值：SHM_RND和SHM_RDONLY。SHM_RND为读写模式，SHM_RDONLY是只读模式。需要注意的是，共享内存的读写权限由它的属主、它的访问权限和当前进程的属主共同决定。如果当shmflg & SM_RDONLY为true时，即使该共享内存的访问权限允许写操作，它也不能被写入。该参数通常会被设为0（进程有读写权限）。

返回值：　

　　函数调用成功时，返回共享内存的起始地址，失败时返回-1。

shmdt函数

功能：

　　解除进程与进程虚拟地址空间的的映射。用于函数删除本进程对这块内存的使用。shmdt()与shmat()相反，是用来禁止本进程访问一块共享内存的函数。
参数：

　　char *shmaddr 是那块共享内存的起始地址。shmget（2）的返回值。

返回值：

　　函数调用成功时返回0，失败时返回-1。

给予共享内存通信代码A

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/shm.h>
#define MSG_FILE "/home/tarena/进程A.c"
#define BUFFER 4096
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
int main()
{
    key_t key;
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
    {
        perror("Creat Key Error");
        exit(1);
    }
int shmid = shmget (key, BUFFER, PERM | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
if (shmid == -1)
    {
        perror ("shmget");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
void* shmaddr = shmat (shmid, NULL, 0);
if (shmaddr == (void*)-1)
    {
        perror ("shmat");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
    strcpy (shmaddr, "这是放入共享内存的内容!");
if (shmdt (shmaddr) == -1)
    {
        perror ("shmdt");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
    sleep(10);
if (shmctl (shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)
    {
        perror ("shmctl");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
return 0;
}

基于共享内存通讯进程B代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/shm.h>
#define MSG_FILE "/home/tarena/进程A.c"
#define BUFFER 4096
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR
int main(int argc,char **argv)
{
    key_t key;
if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)
    {
        perror("Creat Key Error");
        exit(1);
    }
int shmid = shmget (key, BUFFER, PERM);
if (shmid == -1)
    {
        perror ("shmget");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
void* shmaddr = shmat (shmid, NULL, 0);
if (shmaddr == (void*)-1)
    {
        perror ("shmat");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
    printf ("%s
", (char*)shmaddr);
if (shmdt (shmaddr) == -1)
    {
        perror ("shmdt");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
return 0;
}

（3）信号量集

　　略

3、通过标识符操作这块内存

共享内存操作
shmctl函数

功能：

　　 控制对这块共享内存的使用。

参数：
　　int shmid： 共享内存的ID，即共享内存标识。
　　int cmd ： 控制命令，表示要采取的动作，可取值如下：
IPC_STAT 得到共享内存的状态：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值
IPC_SET 改变共享内存的状态：把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值
IPC_RMID 删除共享内存段
　　shmid_ds结构至少包含以下成员：
　　struct shmid_ds {
　　uid_t shm_perm.uid;
　　uid_t shm_perm.gid;
　　uid_t shm_perm.mode;
　　}
　　struct shmid_ds *buf： 一个结构体指针。IPC_STAT的时候，取得的状态放在这个结构体中。如果要改变共享内存的状态，用这个结构体指定。

返回值：

　　函数调用成功时返回0，失败时返回-1。

使用ipcrm命令删除IPC通讯对象