〖Linux〗Linux高级编程

[转自: http://blog.csdn.net/Paradise_for_why/article/details/5550619]

这一章就是著名的IPC，这个东西实际的作用和它的名字一样普及。例如我们浏览网页，打印文章，等等。

    IPC总共有五种类型：

1. 共享内存(Shared Memory)：最容易理解的一种，就像一个特工把情报放在特定地点(内存)，另一个特工再过来取走一样。

2. 内存映射(Mapped Memory)：和共享内存几乎相同，除了特工们把地点从内存改成了文件系统。

3. 管道(Pipes)：从一个进程到另一个进程的有序通信，用电话来比喻再恰当不过了。

4. FIFOs：和管道和类似，唯一的区别是FIFOs比管道更神通一些，允许没有关系的进程之间的有序通信。

5. 套接字(Sockets)：为什么说浏览网页也是IPC？就是因为它。 

5.1 共享内存（Shared Memory）

• 共享内存是最快捷的进程间通信方式。访问共享内存的效率和访问进程自己的非共享内存的效率是相同的，而且这种通信方式不需要任何额外的系统调用。
• 系统不会自动为共享内存处理同步问题，这个问题必须由用户自己解决。
• 共享内存的步骤通常是：
  • 一个进程申请一块共享内存，即在它的页表中加入新的一项
  • 所有进程Attach该共享内存，即从申请内存的进程中拷贝对应的页表
  • 使用该内存进行通讯
  • 结束后所有进程detach该共享内存
  • 申请共享内存的进程在确定所有进程都detach后，释放该内存
• 由于共享内存是通过页表来实现的，我们可以得出一个结论：共享内存的大小是页面大小的整数倍，页面的大小可以通过getpagesize()来得到，通常在Linux下该值是4KB
• 相关的API函数：
  • 申请共享内存：shmget，返回共享内存segment的id
  • Attach，Detach函数：shmat，shmdt。需要共享内存segment的id
  • 释放申请的内存：shmctl。一定要记得释放！调用exit和exec会自动detach，但不会自动释放。
• 使用 ipcs -m来观看当前系统存在的共享内存

　　例子：原程序链接，依据这个例子进行简单修改一下

/*
 * =============================================================================
 *
 *       Filename:  sharememory_read.c
 *
 *    Description:  
 *
 *        Version:  1.0
 *        Created:  2014年11月04日 19时52分28秒
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  gcc
 *
 *         Author:  lwq (28120), scue@vip.qq.com
 *   Organization:  
 *
 * =============================================================================
 */
#include <stdlib.h>

/**********************************************************
*实验要求：   创建两个进程，通过共享内存进行通讯。
*功能描述：   本程序申请和分配共享内存，然后轮训并读取共享中的数据，直至
*           读到“end”。
*日    期：   2010-9-17
*作    者：   国嵌
**********************************************************/
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <getopt.h>
#include "sharememory.h"

void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff);
void del_shm();

void usage(){
    fprintf(stderr, "
usage: %s -r|-w

"
            "-r read mode
"
            "-w write mode
"
            "
", "shared_memory");
    exit(1);
}

#define READ (1)
#define WRITE (2)
#define OPTNONE (0)

// 全局变量
void *shared_memory=(void *)0;

/*
 * 程序入口
 * */
int main(int argc, char **argv)
{
    int running=RUNNING;
    struct shared_use_st *shared_stuff;
    int shmid;
    int operation=OPTNONE;                      /* 读/写操作 */

    /*-----------------------------------------------------------------------------
     *  getopt start
     *----------------------------------------------------------------------------*/
    int choice;
    while (1)
    {
        static struct option long_options[] =
        {
            /* Use flags like so:
            {"verbose",    no_argument,    &verbose_flag, 'V'}*/
            /* Argument styles: no_argument, required_argument, optional_argument */
            {"version", no_argument,    0,    'v'},
            {"help",    no_argument,    0,    'h'},
            {"read",    no_argument,    0,  'r'},
            {"write",   no_argument,    0,  'w'},
            {0,0,0,0}
        };
    
        int option_index = 0;
    
        /* Argument parameters:
            no_argument: " "
            required_argument: ":"
            optional_argument: "::" */
    
        choice = getopt_long( argc, argv, "vhrw",
                    long_options, &option_index);
    
        if (choice == -1)
            break;
    
        switch( choice )
        {
            case 'v':
                
                break;
    
            case 'h':
                usage();
                break;

            case 'r':
                operation=READ;
                break;

            case 'w':
                operation=WRITE;
                break;
    
            case '?':
                /* getopt_long will have already printed an error */
                usage();
                break;
    
            default:
                /* Not sure how to get here... */
                return EXIT_FAILURE;
        }
    }
    if (operation == OPTNONE) {
        usage();
    }
    /*-----------------------------------------------------------------------------
     *  getopt end
     *----------------------------------------------------------------------------*/

    /*创建共享内存*/
    shmid=shmget((key_t)1234,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT);
    if(shmid==-1) {
        fprintf(stderr,"shmget failed
");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    /*映射共享内存*/
    shared_memory=shmat(shmid,(void *)0,0);
    if(shared_memory==(void *)-1) {
        fprintf(stderr,"shmat failed
");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Memory attached at 0%08x
",(int)((intptr_t)shared_memory));

    /*让结构体指针指向这块共享内存*/
    shared_stuff=(struct shared_use_st *)shared_memory;

    /*控制读写顺序*/
    // lwq: 使之能读取上一条消息
    if (operation == READ && shared_stuff->written_by_you != HADWROTE)
        shared_stuff->written_by_you=HADREAD;

    switch(operation) {
        case READ:
            read_shm(shared_stuff);
            break;
    
        case WRITE:
            write_shm(shared_stuff);
            break;

        default:
            usage();
            break;
    }

    del_shm();
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

// 读取共享内存
void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
    while(1) {
       if(shared_stuff->written_by_you == HADWROTE) {
           printf("You wrote:%s",shared_stuff->some_text);
           shared_stuff->written_by_you=HADREAD;
           if(strncmp(shared_stuff->some_text,"end",3)==0) {
               break;
           }
       }
       else {
           usleep(100000);
       }
    }
}

// 写入共享内存
void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){
    char buffer[BUFSIZ] = {0};
    while(1) {
        while(shared_stuff->written_by_you!=HADREAD); /* 等待读写完成 */
        printf("Enter some text:");
        fgets(buffer,BUFSIZ,stdin);
        strncpy(shared_stuff->some_text,buffer,TEXT_SZ); /* 复制进去 */
        shared_stuff->written_by_you=HADWROTE;
        if(strncmp(buffer,"end",3)==0) {
            break;
        }
    }
}

// 删除共享内存
void del_shm(){
    /*删除共享内存*/
    if(shmdt(shared_memory)==-1) {
        fprintf(stderr,"
shmdt failed
");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else {
        fprintf(stderr, "
delete shared_memory: 0x%08x
", (int)((intptr_t)shared_memory));
    }
}

　　编译：gcc sharememory.c -o sharememory

　　执行：

　　　　1. 以读取模式打开程序（进程1）： ./sharememory -r

　　　　2. 以写入模式打开程序（进程2）： ./sharememory -w

　　更新介绍：http://www.cs.cf.ac.uk/Dave/C/node27.html 

5.2 进程信号量

• 信号量(Semaphore)的概念前面已经介绍过了。Linux对用来同步进程的信号量采取了一种特别的实现方式。这些信号量也就被称为进程信号量(Process Semaphore)。（这一节下面所提到的所有信号量默认都是指进程信号量）
• 相关的API函数：
  • 申请：semget
  • 释放：semctl。需要注意的是信号量不会被自动释放，我们必须显式释放它。
  • Wait和Post：semop
• 使用ipcs -s来观看当前系统存在的信号量

　　例子：原程序链接

/*
 * =============================================================================
 *
 *       Filename:  semaphore_simple.c
 *
 *    Description:  
 *
 *        Version:  1.0
 *        Created:  2014年11月04日 21时21分25秒
 *       Revision:  none
 *       Compiler:  gcc
 *
 *         Author:  lwq (28120), scue@vip.qq.com
 *   Organization:  
 *
 * =============================================================================
 */
#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>

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

static int sem_id = 0;

static int set_semvalue();
static void del_semvalue();
static int semaphore_p();
static int semaphore_v();

int main(int argc, char *argv[])
{
    char msg[1024] = {0};
    int i = 0;
    int mypid=getpid();

    //创建信号量
    sem_id = semget((key_t)12345, 1, 0666 | IPC_CREAT);

    if(argc > 1)
    {
        //程序第一次被调用，初始化信号量
        if(!set_semvalue()) {
            fprintf(stderr, "Failed to initialize semaphore
");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
    for(i = 0; i < 10; ++i) {
        //进入临界区
        if(!semaphore_p())
            exit(EXIT_FAILURE);
        //向屏幕中输出数据
        snprintf(msg, sizeof(msg)-1, "%s, index: %03d, pid: %05d", argv[1], i, mypid);
        printf("%s
", msg);
        fflush(stdout);
        usleep(100000);
        //离开临界区，休眠随机时间后继续循环
        if(!semaphore_v())
            exit(EXIT_FAILURE);
    }

    if(argc > 1)
    {
        //如果程序是第一次被调用，则在退出前删除信号量
        sleep(3);
        del_semvalue();
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

static int set_semvalue()
{
    //用于初始化信号量，在使用信号量前必须这样做
    union semun sem_union;

    sem_union.val = 1;
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
        return 0;
    return 1;
}

static void del_semvalue()
{
    //删除信号量
    union semun sem_union;

    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
        fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore
");
}

static int semaphore_p()
{
    //对信号量做减1操作，即等待P（sv）
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = -1;//P()
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed
");
        return 0;
    }
    return 1;
}

static int semaphore_v()
{
    //这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即发送信号V（sv）
    struct sembuf sem_b;
    sem_b.sem_num = 0;
    sem_b.sem_op = 1;//V()
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed
");
        return 0;
    }
    return 1;
}

　　编译：gcc semaphore_simple.c -o semaphore_simple

　　执行：./semaphore_simple XXX &; ./semaphore_simple YYY

5.3 内存映射

• 内存映射使得不同的进程可以通过一个共享文件来互相通信。
• 相关的API函数：
  • 映射：mmap
  • 同步：msync。用来指定对文件的修改是否被buffer。
  • 释放：munmap。在程序结束的时候会自动unmap
• mmap的其他用法：
  • 可以替代read和write，有时使用内存映射后的效率比单纯使用I/O操作来的更快
  • 在内存映射文件中构建structure，修改structure再次将文件映射到内存中可以快速的将structure恢复到原来的状态
  • 把/dev/zero文件映射到内存中。该文件可以提供无限的0，并且写到该文件的所有内容将被直接丢弃

5.4 管道（Pipes）

• 管道是单向的，即一个线程写，另一个线程读，无法互换
• 如果写的速度太快，造成管道满了，那么写的线程就会被block；如果读的速度太快，造成管道空了，那么读的进程就会被block。因此事实上我们可以说管道自动实现了同步机制
• 我们可以通过调用pipe函数来生成一对pipe file description。（为什么是一对？因为一个读一个写）。可是，生成的pipe file description无法传送给不相关的进程（因为做为file descriptor即使它拿到了也没法用）。但是我们注意到fork之后父进程所有的file descriptor在子进程中依然有效，因此管道最大的作用是在父子进程之间通信。或者更确切的说，是在有共同祖先的进程之间通信。
• 典型的创建管道的流程如下：
  • 用pipe生成2个pipe file description（简称fds）。然后调用fork
  • 在父进程关闭fds[0](或fds[1])，并以只读（或只写）方式打开fds[1](或fds[0])。在子进程中关闭fds[1](或fds[0])，并以只写(或只读)方式打开fds[0](或fds[1])。打开的函数是fdopen。
  • 开始通信。结束后用close函数关闭剩下的fds。
• 这里有一个技巧：可以利用管道来达成重定向stdin, stdout和stderr。注意到dup2这个API可以把一个file descriptor复制到另一个上。
• 事实上，我们有一对更为简洁的函数popen/pclose来完成上面的一系列复杂的操作。popen有两个参数：
  • 第一个参数接受一个exec，子进程将执行这个exec
  • 第二个参数为”w”或者”r”，”w”表示父进程写子进程读，”r”则反之
  • 返回值为管道的一端，也就是一个file descriptor
  • pclose用来关闭popen返回的file descriptor
• FIFO（First In First Out）文件事实上是一个有名字的管道，换句话说，他可以用来让“不相干”的程序互相通信。
  • 我们使用mkfifo函数来创建一个FIFO文件
  • 我们可以使用任何的低级I/O函数(open, write, read, close等)以及C库I/O函数(fopen, fprintf, fscanf, fclose等)来操作FIFO文件。
• Linux的管道和Windows下的命名管道(Named Pipes)的区别
  • Windows的命名管道更像一个套接字(sockets)，它可以通过网络让不同主机上的程序进行通信
  • Linux的管道允许有多个reader和writer，每个reader和writer进行读/写的最大容量为 PIPE_BUF(4KB)，如果有多个writer同时写，他们写的东西会被分为一个一个的chunk（每个4KB）并允许交错写。（例如进程A有两个 chunk，A1，A2。进程B也有两个chunk，B1，B2。A和B同时写，则顺序可能为A1,B1,A2,B2） Windows的管道允许在同一个管道上有多个reader/writer对，他们之间读写的数据没有交叉。

5.5 套接字(Sockets)

• 套接字的特点：
  • 它是双向通信的
  • 它是进程间通信的，包括其他机器上的进程
• 套接字有三个参数：
  • 通讯类型(communication style)
    • 连接(connection)类型：保证所有的包按发送的顺序到达接受方。（类似于电话）如果包丢失或者抵达顺序错误，会自动重发。
    • datagram类型：所有包单独发送，可能会出现丢失或者晚发早到的现象。（类似于邮寄）
  • 命名空间(namespace)：描述套接字的地址是如何表示的，例如本地就是文件名，internet上就是ip地址。
  • 协议(protocol)：通讯协议，常用的有TCI/IP，AppleTalk等。
• 相关的API（套接字也是通过file descriptor来表示的）：
  • socket：创建一个socket
  • closes：销毁一个socket
  • connect：在两个socket之间创建一个连接。这个API通常由客户端调用。
  • bind：给服务器的一个套接字绑定一个地址，服务器端调用。
  • listen：让一个套接字开始侦听，准备接受请求，服务器端调用。
  • accept：接受一个连接请求，并且为该连接创建一个新的套接字，服务器端调用。
• 服务器端的生命流程：
  • 创建一个connection类型的socket
  • 给该socket绑定一个地址
  • 调用listen来enable该socket（listen可以指定最多有多少个请求在等待队列中，如果等待队列满了，又有新的请求到达的时候，则该请求被拒绝）
  • 对于收到的连接请求调用accept来接受
  • 关闭socket
• 本地socket（local socket）
  • 如果是同一台电脑上的两个进程需要通信的话，可以使用本地socket。这种情况下socket的地址是文件路径。注意进程必须对该路径拥有可写权限，否则无法建立连接
  • 完成之后使用unlink来关闭一个socket