2017-2018-1 20155222 《信息安全系统设计基础》第10周 Linux下的IPC机制

Posted 2020-10-15 20155222卢梓杰

2017-2018-1 20155222 《信息安全系统设计基础》第10周 Linux下的IPC机制

IPC机制

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。

以上内容引用自CSDN

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。

共享内存头文件：

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

结构shmid_ds结构体（是不是很眼熟，看消息队列的msgid_ds结构体）：

strcut shmid_ds{  
    struct ipc_perm    shm_perm;  
    size_t    shm_segsz;  
    time_t    shm_atime;  
    time_t    shm_dtime;  
    ......  
}  

共享内存函数定义：

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

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。
管道的实现机制：
管道是由内核管理的一个缓冲区，相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。
管道只能在本地计算机中使用，而不可用于网络间的通信。

pipe函数原型：

#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); 

通过使用底层的read和write调用来访问数据。 向file_descriptor[1]写数据，从file_descriptor[0]中读数据。写入与读取的顺序原则是先进先出。
管道读写规则
当没有数据可读时
O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。
当管道满的时候
O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN
如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0
如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE
当要写入的数据量不大于PIPE_BUF（Posix.1要求PIPE_BUF至少512字节）时，linux将保证写入的原子性。
当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。

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。
创建管道的两个系统调用原型：

#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 );  

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。

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）

#include <sys/types.h>   
#include <signal.h>   
void (*signal(int sig,void (*func)(int)))(int); //用于截取系统信号，第一个参数为信号，第二个参数为对此信号挂接用户自己的处理函数指针。返回值为以前信号处理程序的指针。  
eg.int ret = signal(SIGSTOP, sig_handle);  

由于signal不够健壮，推荐使用sigaction函数。

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（Message queues）

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。
消息队列头文件：

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

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、msqid_ds内核数据结构

struct msgid_ds{
    struct ipc_perm msg_perm;
    time_t msg_stime;
    time_t msg_rtime;
    time_t msg_ctime;
    unsigned long _msg_cbuyes;
    ..........
};

Linux内核中，每个消息队列都维护一个结构体，此结构体保存着消息队列当前状态信息，该结构体在头文件linux/msg.h中定义。
3、ipc_perm内核数据结构

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

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。
常用函数：
系统建立IPC通讯 （消息队列、信号量和共享内存） 时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到。

key_t ftok( const char * fname, int id );//参数一为目录名称, 参数二为id。如指定文件的索引节点号为65538，换算成16进制为0x010002，而你指定的ID值为38，换算成16进制为0x26，则最后的key_t返回值为0x26010002。  
eg.key_t key = key =ftok(".", 1);  
int msgget(key_t key,int msgflag); //msgget用来创建和访问一个消息队列。程序必须提供一个键值来命名特定的消息队列。  
eg.int msg_id = msgget(key, IPC_CREATE | IPC_EXCL | 0x0666);//根据关键字创建一个新的队列(IPC_CREATE)，如果队列存在则出错(IPC_EXCL)，拥有对文件的读写执行权限(0666)。  
int msgsnd(int msgid,const void *msgptr,size_t msg_sz,int msgflg); //msgsnd函数允许我们把一条消息添加到消息队列中。msgptr只想准备发送消息的指针，指针结构体必须以一个长整型变量开始。   
eg.struct msgmbuf{  
    int mtype;  
    char mtext[10];  
};  
struct msgmbuf msg_mbuf;  
msg_mbuf.mtype = 10;//消息大小10字节  
memcpy(msg_mbuf.mtext, "测试消息", sizeof("测试消息"));  
int ret = msgsnd(msg_id, &msg_mbuf, sizeof("测试消息"), IPC_NOWAIT);  
int msgrcv(int msgid, void *msgptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg); //msgrcv可以通过msqid对指定消息队列进行接收操作。第二个参数为消息缓冲区变量地址，第三个参数为消息缓冲区结构大小，但是不包括mtype成员长度，第四个参数为mtype指定从队列中获取的消息类型。  
eg.int ret = msgrcv(msg_id, &msg_mbuf, 10, 10, IPC_NOWAIT | MSG_NOERROR);  
int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf); //msgctl函数主要是一些控制如删除消息队列等操作。 cmd值如下：  
IPC_STAT:获取队列的msgid_ds结构，并把它存到buf指向的地址。  
IPC_SET:将队列的msgid_ds设置为buf指向的msgid_ds。  
IPC_RMID:内核删除消息队列，最后一项填NULL, 执行操作后，内核会把消息队列从系统中删除。  

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。