20155202 张旭 Linux下IPC机制

Posted 2020-10-15

20155202张旭 Linux下IPC机制

IPC机制定义

• 在linux下的多个进程间的通信机制叫做IPC(Inter-Process Communication)，它是多个进程之间相互沟通的一种方法。在linux下有多种进程间通信的方法：半双工管道、命名管道、消息队列、信号、信号量、共享内存、内存映射文件，套接字等等。使用这些机制可以为linux下的网络服务器开发提供灵活而又坚固的框架。

共享内存

• 共享内存是在多个进程之间共享内存区域的一种进程间的通信方式，由IPC为进程创建的一个特殊地址范围，它将出现在该进程的地址空间（这里的地址空间具体是哪个地方？）中。其他进程可以将同一段共享内存连接到自己的地址空间中。所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像它们是malloc分配的一样。如果一个进程向共享内存中写入了数据，所做的改动将立刻被其他进程看到。
• 共享内存是IPC最快捷的方式，因为共享内存方式的通信没有中间过程，而管道、消息队列等方式则是需要将数据通过中间机制进行转换。共享内存方式直接将某段内存段进行映射，多个进程间的共享内存是同一块的物理空间，仅仅映射到各进程的地址不同而已，因此不需要进行复制，可以直接使用此段空间。

• 注意：共享内存本身并没有同步机制，需要程序员自己控制。

  共享内存的实例

int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);  //shmget函数用来创建一个新的共享内存段， 或者访问一个现有的共享内存段（不同进程只要key值相同即可访问同一共享内存段）。第一个参数key是ftok生成的键值，第二个参数size为共享内存的大小，第三个参数sem_flags是打开共享内存的方式。  
eg.int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREATE | IPC_EXCL | 0666);//第三个参数参考消息队列int msgget(key_t key,int msgflag);  
void *shmat(int shm_id,const void *shm_addr,int shmflg); //shmat函数通过shm_id将共享内存连接到进程的地址空间中。第二个参数可以由用户指定共享内存映射到进程空间的地址，shm_addr如果为0，则由内核试着查找一个未映射的区域。返回值为共享内存映射的地址。  
eg.char *shms = (char *)shmat(shmid, 0, 0);//shmid由shmget获得  
int shmdt(const void *shm_addr); //shmdt函数将共享内存从当前进程中分离。 参数为共享内存映射的地址。  
eg.shmdt(shms);  
int shmctl(int shm_id,int cmd,struct shmid_ds *buf);//shmctl函数是控制函数，使用方法和消息队列msgctl()函数调用完全类似。参数一shm_id是共享内存的句柄，cmd是向共享内存发送的命令，最后一个参数buf是向共享内存发送命令的参数。

管道 （PIPE）

• 管道实际是用于进程间通信的一段共享内存，创建管道的进程称为管道服务器，连接到一个管道的进程为管道客户机。一个进程在向管道写入数据后，另一进程就可以从管道的另一端将其读取出来。
  管道的特点：

1. 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；
2. 只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。比如fork或exec创建的新进程，在使用exec创建新进程时，需要将管道的文件描述符作为参数传递给exec创建的新进程。当父进程与使用fork创建的子进程直接通信时，发送数据的进程关闭读端，接受数据的进程关闭写端。
3. 单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
4. 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道实例：

#include <unistd.h> 
int pipe(int file_descriptor[2]);//建立管道，该函数在数组上填上两个新的文件描述符后返回0，失败返回-1。
eg.int fd[2]
int result = pipe(fd);

命名管道（FIFO）

• 命名管道是一种特殊类型的文件，它在系统中以文件形式存在。这样克服了管道的弊端，他可以允许没有亲缘关系的进程间通信。具体操作方法只要创建了一个命名管道然后就可以使用open、read、write等系统调用来操作。创建可以手工创建或者程序中创建。

命名管道实例：

#include <sys/types.h>   
#include <sys/stat.h>   
int mkfifo(const char *filename,mode_t mode); //建立一个名字为filename的命名管道，参数mode为该文件的权限（mode%~umask），若成功则返回0，否则返回-1，错误原因存于errno中。  
eg.mkfifo( "/tmp/cmd_pipe", S_IFIFO | 0666 );

• int mknod(const char *path, mode_t mode, dev_t dev); //第一个参数表示你要创建的文件的名称，第二个参数表示文件类型，第三个参数表示该文件对应的设备文件的设备号。只有当文件类型为 S_IFCHR 或 S_IFBLK 的时候该文件才有设备号，创建普通文件时传入0即可。  
  eg.mknod(FIFO_FILE,S_IFIFO|0666,0);

管道和命名管道的区别：

• 对于命名管道FIFO来说，IO操作和普通管道IO操作基本一样，但是两者有一个主要的区别，在命名管道中，管道可以是事先已经创建好的，比如我们在命令行下执行

  mkfifo myfifo

就是创建一个命名通道，我们必须用open函数来显示地建立连接到管道的通道，而在管道中，管道已经在主进程里创建好了，然后在fork时直接复制相关数据或者是用exec创建的新进程时把管道的文件描述符当参数传递进去。

• 一般来说FIFO和PIPE一样总是处于阻塞状态。也就是说如果命名管道FIFO打开时设置了读权限，则读进程将一直阻塞，一直到其他进程打开该FIFO并向管道写入数据。这个阻塞动作反过来也是成立的。如果不希望命名管道操作的时候发生阻塞，可以在open的时候使用O_NONBLOCK标志，以关闭默认的阻塞操作。

信号 （signal）

• 信号机制是unix系统中最为古老的进程之间的通信机制，用于一个或几个进程之间传递异步信号。信号可以有各种异步事件产生，比如键盘中断等。shell也可以使用信号将作业控制命令传递给它的子进程。

  信号实例

int kill(pid_t pid,int sig); //kill函数向进程号为pid的进程发送信号，信号值为sig。当pid为0时，向当前系统的所有进程发送信号sig。  
int raise(int sig);//向当前进程中自举一个信号sig, 即向当前进程发送信号。  
#include <unistd.h>   
unsigned int alarm(unsigned int seconds); //alarm()用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds指定的秒数后传送给目前的进程。如果参数seconds为0,则之前设置的闹钟会被取消,并将剩下的时间返回。使用alarm函数的时候要注意alarm函数的覆盖性，即在一个进程中采用一次alarm函数则该进程之前的alarm函数将失效。  
int pause(void); //使调用进程（或线程）睡眠状态，直到接收到信号，要么终止，或导致它调用一个信号捕获函数。

消息队列

• 消息队列是内核地址空间中的内部链表，通过linux内核在各个进程直接传递内容，消息顺序地发送到消息队列中，并以几种不同的方式从队列中获得，每个消息队列可以用IPC标识符唯一地进行识别。内核中的消息队列是通过IPC的标识符来区别，不同的消息队列直接是相互独立的。每个消息队列中的消息，又构成一个独立的链表。
  消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字符流。

  消息队列的本质

• Linux的消息队列(queue)实质上是一个链表，它有消息队列标识符(queue ID)。 msgget创建一个新队列或打开一个存在的队列；msgsnd向队列末端添加一条新消息；msgrcv从队列中取消息， 取消息是不一定遵循先进先出的， 也可以按消息的类型字段取消息。

消息队列与命名管道的比较

• 消息队列跟命名管道有不少的相同之处，通过与命名管道一样，消息队列进行通信的进程可以是不相关的进程，同时它们都是通过发送和接收的方式来传递数据的。在命名管道中，发送数据用write，接收数据用read，则在消息队列中，发送数据用msgsnd，接收数据用msgrcv。而且它们对每个数据都有一个最大长度的限制。
• 与命名管道相比，消息队列的优势在于，1、消息队列也可以独立于发送和接收进程而存在，从而消除了在同步命名管道的打开和关闭时可能产生的困难。2、同时通过发送消息还可以避免命名管道的同步和阻塞问题，不需要由进程自己来提供同步方法。3、接收程序可以通过消息类型有选择地接收数据，而不是像命名管道中那样，只能默认地接收。
• 消息队列头文件：

#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <sys/msg.h>

• 1、消息缓冲区结构：

struct msgbuf{
    long mtype;
    char mtext[1];//柔性数组
}

• 在结构中有两个成员，mtype为消息类型，用户可以给某个消息设定一个类型，可以在消息队列中正确地发送和接受自己的消息。mtext为消息数据，采用柔性数组，用户可以重新定义msgbuf结构。例如：

struct msgbuf{  
    long mtype;  
    char mtext[1];//柔性数组  
}

• 当然用户不可随意定义msgbuf结构，因为在linux中消息的大小是有限制的，在linux/msg.h中定义如下：

  define MSGMAX 8192

  消息总的大小不能超过8192个字节，包括mtype成员（4个字节）。

• 2、ipc_perm内核数据结构：结构体ipc_perm保存着消息队列的一些重要的信息，比如说消息队列关联的键值，消息队列的用户id组id等。它定义在头文件linux/ipc.h中。

  struct ipc_perm{  
    key_t key;  
    uid_t uid;  
    gid_t gid;  
    .......  
  };

消息队列、信号量以及共享内存的相似之处：

• 它们被统称为XSI IPC，它们在内核中有相似的IPC结构（消息队列的msgid_ds，信号量的semid_ds，共享内存的shmid_ds），而且都用一个非负整数的标识符加以引用（消息队列的msg_id，信号量的sem_id，共享内存的shm_id，分别通过msgget、semget以及shmget获得），标志符是IPC对象的内部名，每个IPC对象都有一个键（key_t key）相关联，将这个键作为该对象的外部名。

• 参考博客：linux基础——linux进程间通信（IPC）机制总结