Linux网络编程--进程间通信(一)

时间:2021-05-17 14:57:12

进程间通信简介(摘自《Linux网络编程》p85)

  AT&T 在 UNIX System V 中引入了几种新的进程通讯方式,即消息队列( MessageQueues),信号量( semaphores)和共享内存( shared memory),统称为 System V IPC。在Linux 系统编程中,它们有着广泛的应用。
  System V IPC 的一个显著的特点,是它的具体实例在内核中是以对象的形式出现的,我们称之为 IPC 对象。每个 IPC 对象在系统内核中都有一个唯一的标识符。通过标识符内核可以正确的引用指定的 IPC 对象.。需要注意的是,标识符的唯一性只在每一类的 IPC 对象内成立。比如说,一个消息队列和一个信号量的标识符可能是相同的,但绝对不会出现两个有相同标识符的消息队列。

  标识符只在内核中使用, IPC 对象在程序中是通过关键字( key)来访问的。和 IPC 对象标识符一样,关键字也必须是唯一的。而且,要访问同一个 IPC 对象, Server 和 Client必须使用同一个关键字。因此,如何构造新的关键字使之不和已有的关键字冲突,并保证Server 和 Client 使用的关键字是相同的,是建立 IPC 对象时首先要解决的一个问题。(具体在后边的msg通信中详解)

通信方法还有:半双工管道pipe,命名管道fifo,消息队列,信号量,共享内,socket套接字等,下面一一介绍:

半双工管道:

  int pipe(int filedes[2]);

  管道是将两个进程之间的标准输入输出相互对接的机制

  linux命令中使用的管道 |  : ls -l | grep *.c  //显示文件(输入端)-(|)-(输出端)>找到.c结尾文件

实现:因为半双工缘故,所以只能实现一段输入,一段输出,而不能双向通信。所以:实现为,通过管道连接进程,一端开放读文件描述,一端开放写文件描述

//管道的性质就是,一个进程的输出作为另一个进程的输入
//那么我们可以关闭一个进程读端使之作为输入端,
//另一个进程关闭写端,读取数据,接收数据作为管道输出端

//FIFO命名管道
//文件系统中,命名管道是特殊文件的方式存在的
//不同进程可以通过命名管道共享数据

//命名管道一直是阻塞方式的,且必须是显示的通过open建立连接到管道的通道
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

int main()
{
    int result = 1;
    int fd[2];
    pid_t pid;
    int *write_fd = &fd[1];        //写文件描述
    int *read_fd = &fd[0];        //读文件描述
    
    int nbytes;
    char str[] = "管道,你好\n";    
    char readBuffer[80];
    memset(readBuffer,0,sizeof(readBuffer));

    result = pipe(fd);        //创建管道
    if(-1==result)
    {
        printf("管道创建失败!\n");
        return -1;
    }
    
    pid = fork();            //进程创建分叉程序
    if(-1 == pid)
    {
        printf("fork失败");
        return -1;
    }

    if(0==pid)            //子进程关闭读端,写入字符
    {
        close(*read_fd);
        result = write(*write_fd,str,strlen(str));
        printf("写入%d个数据\n",result);
    }
    else                //父进程关闭写端,读取数据
    {
        close(*write_fd);
        nbytes = read(*read_fd,readBuffer,sizeof(readBuffer));
        printf("接收到%d个数据,内容为%s",nbytes,readBuffer);
    }
    return 0;
}

②命名管道

  int mkfifo(const char* pathname,mode_t mode);

  类似于普通管道,只是

  a.在文件系统中以设备特殊文件的形式存在

  b.不同进程之间可以通过命名管道共享数据

操作区别于普通管道:FIFO中必须显式通过open建立连接到管道的通道,且总是处于阻塞状态的

消息队列

  消息队列是内核地址空间的内部链表,通过内核在各个进程之间传递内容。每个消息队列通过唯一IPC标识符标识,不同队列相对独立。

  

//file: msg.h
/*
message buffer for msgsnd and msgrcv calls */ struct msgbuf { __kernel_long_t mtype; /* type of message */ char mtext[1]; /* message text */ }; /* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct msqid_ds { struct ipc_perm msg_perm; struct msg *msg_first; /* first message on queue,unused */ struct msg *msg_last; /* last message in queue,unused */ __kernel_time_t msg_stime; /* last msgsnd time */ __kernel_time_t msg_rtime; /* last msgrcv time */ __kernel_time_t msg_ctime; /* last change time */ unsigned long msg_lcbytes; /* Reuse junk fields for 32 bit */ unsigned long msg_lqbytes; /* ditto */ unsigned short msg_cbytes; /* current number of bytes on queue */ unsigned short msg_qnum; /* number of messages in queue */ unsigned short msg_qbytes; /* max number of bytes on queue */ __kernel_ipc_pid_t msg_lspid; /* pid of last msgsnd */ __kernel_ipc_pid_t msg_lrpid; /* last receive pid */ };
//filename
/*
Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */ struct ipc_perm { __kernel_key_t key;  //函数msgget()使用的键值   __kernel_uid_t uid;  //用户UID __kernel_gid_t gid;  //用户GID __kernel_uid_t cuid;  //创建者UID __kernel_gid_t cgid;  //创建者GID __kernel_mode_t mode;   //权限 unsigned short seq;  //序列号 };

  内核中的消息队列

Linux网络编程--进程间通信(一)

注:结构list_head 形成一个链表,结构msg_msg之中的m_list使得消息形成链表,查找,插入时,对m_list域进行偏移找到位置

相关函数:

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

  获取消息 int msgget(key_t key,int msgflg);

  发送消息 int msgsnd(int msqid, const void * msgp,size_t msgsz,int msgflg);

  接收消息 ssize_t msgrcv(int msqid, void * msgp, size_t msgsz, long msgtype, int msgflg);

  消息控制 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);  //向内核发送cmd命令判断进行何种操作

一个简单例子

④信号量

  信号量是一种计数器,用来控制对多个进程共享的资源所进行的访问。常用作锁机制(生产者消费者模型是个典型使用)

  信号量结构

//filename sys/sem.h
/*
arg for semctl system calls. */ union semun { int val; /* value for SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* buffer for IPC_STAT & IPC_SET */ unsigned short *array; /* 数组结构 */ struct seminfo *__buf; /* 信号量内部结构 */ void *__pad; };

  相关函数 

  新建信号量 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

  //key 来自于ftok()

  信号量操作函数 int semop(int semid,struct sembuf* sops, unsigned nsops);

  //信号量的P,V操作通过向已经建立好的信号量发送命令完成

  控制信号量参数

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

  //用于在信号量集合上执行控制操作

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

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

sem_t CreateSem(key_t key, int value)
{
    union semun sem;
    sem_t semid;
    sem.val = value;
    
    semid = semget(key,0,IPC_CREAT);
    if(-1 == semid)
    {
        printf("create semaphore error\n");
        return -1;
    }
    
    semctl(semid,0,SETVAL,sem);
    
    return semid;
}

int Sem_P(sem_t semid)
{
struct sembuf sops = {0,+1,IPC_NOWAIT};
return (semop(semid,&sops,1));
}

int Sem_V(sem_t semid)
{
    struct sembuf sops = {0,-1,IPC_NOWAIT};
    return (semop(semid,&sops,1));
}

void SetvalueSem(sem_t semid , int value)
{
    union semun sem;
    sem.val = value;
    semctl(semid,0,SETVAL,sem);
}

int GetvalueSem(sem_t semid)
{
    union semun sem;
    return semctl(semid,0,GETVAL,sem);
}

void DestroySem(sem_t semid)
{
    union semun sem;
    sem.val = 0;
    semctl(semid,0,IPC_RMID,sem);
}
int main()
{
    key_t key;
    int semid;
    char i;
    int value = 0;
    key = ftok("/ipc/sem",'a');
    
    semid = CreateSem(key,100);
    for( i = 0;i <= 3;++i)
    {
        Sem_P(semid);
        Sem_V(semid);    
    }
    value = GetvalueSem(semid);    
    
    DestroySem(semid);    
    return 0;
}

⑤共享内存(最快捷的方法)没有中间过程,管道等

  在多个进程之间共享内存区域的一种进程间通信方式,在多个进程之间对内存段进行映射的方式实现内存共享。

    相关函数

  创建共享内存函数 int shmget(key_y key, size_t size, int shmflg);

  获得共享内存地址void * shmat(int shmid,const void* shmaddr, int shmflg);

  删除共享内存函数 int shmdt(const void* shmadddr);

  共享内存控制函数 int shmctl(int shmid ,int cmd, struct shmid_ds * buf);

⑥信号

  用于在一个或多个进程之间传递异步信号。

  相关函数

  信号截取 sighandler signal(int signum ,sighandler handler);

  发送信号 int kill(pid_t pid, int sig);

       int raise(int sig);