linux进程间通信如何加锁

Posted 2023-05-16

参考技术A

进程间通信有一种[共享内存]方式，大家有没有想过，这种通信方式中如何解决数据竞争问题？我们可能自然而然的就会想到用锁。但我们平时使用的锁都是用于解决线程间数据竞争问题，貌似没有看到过它用在进程中，那怎么办？

关于进程间的通信方式估计大多数人都知道，这也是常见的面试八股文之一。

个人认为这种面试题没什么意义，无非就是答几个关键词而已，更深入的可能面试官和面试者都不太了解。

关于进程间通信方式我之前在【这篇文章】中有过介绍，感兴趣的可以移步去看哈。

进程间通信有一种[共享内存]方式，大家有没有想过，这种通信方式中如何解决数据竞争问题?

我们可能自然而然的就会想到用锁。但我们平时使用的锁都是用于解决线程间数据竞争问题，貌似没有看到过它用在进程中，那怎么办?

我找到了两种方法，信号量和互斥锁。

直接给大家贴代码吧，首先是信号量方式：

代码中的MEOW_DEFER，它内部的函数会在生命周期结束后触发。它的核心函数其实就是下面这四个：

具体含义大家应该看名字就知道，这里的重点就是sem_init中的pshared参数，该参数为1表示可在进程间共享，为0表示只在进程内部共享。

第二种方式是使用锁，即pthread_mutex_t，可是pthread_mutex不是用作线程间数据竞争的吗，怎么能用在进程间呢?

可以给它配置一个属性，示例代码如下：

它的默认属性是进程内私有，但是如果给它配置成PTHREAD_PROCESS_SHARED，它就可以用在进程间通信中。

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Linux进程间通信-信号量、消息队列和共享内存

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完整代码如下：

我想这两种方式应该可以满足我们日常开发过程中的大多数需求。

锁的方式介绍完之后，可能很多朋友自然就会想到原子变量，这块我也搜索了一下。但是也不太确定C++标准中的atomic是否在进程间通信中有作用，不过看样子boost中的atomic是可以用在进程间通信中的。

其实在研究这个问题的过程中，还找到了一些很多解决办法，包括：

Disabling Interrupts

Lock Variables

Strict Alternation

Peterson\'s Solution

The TSL Instruction

Sleep and Wakeup

Semaphores

Mutexes

Monitors

Message Passing

Barriers

这里就不过多介绍啦，大家感兴趣的可以自行查阅资料哈。

概述Linux进程间通信方式

　　在现代计算机上，一个任务的完成，往往需要多个进程协调，这时进程间如何交流就成了必须解决的问题。实现进程间通信（IPC）有很多方法，下面简单介绍一下各个通讯方式的原理，不讲具体代码实现。

管道

管道一般指无名管道(还有另一种叫有名管道)，是Unix系统最古老的进程通信方式。管道通信有以下特点：

　　• 管道是半双工的，单向的，同一时刻只能允许一方向另一方发送；

　　• 管道只能在有父子进程，或者兄弟进程之间使用；

创建管道的函数原型：int pipe(int fd[2]);

管道利用两个标识符进行读写控制，fd[0]用于控制读，fd[1]用于控制写。如下图，管道创建后所有标识符都打开状态，如要实现A向B传递数据，则需要关闭A的fd[0],关闭B的fd[1]。

值得一提的是，管道概念在linux的shell中也用到，管道符\'|\'，也是利用了管道的抽象，进行输出重定向，将一条命令的输出传递给另一条命令作为其输入。

有名管道FIFO

和上面的无名管道类似，不过有名管道可以在无关的进程之间交换信息。

有名管道的创建函数原型如下：int mkfifo(const char *_path,mode_t mode)；管道文件的path就是它的名字，Linux上一切都是文件，有名管道也不例外，它是设备文件。

利用有名管道进行通信的步骤大概是这样：

创建一个有名管道文件 -> 进程A用文件write()操作发送消息到管道 -> 进程B用文件read()操作从管道读取消息。

信号

像我们常用ctrl+c来结束当前进程，就是通过shell发送了一个SIGINT信号。linux一共提供了64个信号，它们的编号从1到64。使用$man 7 signal命令可以查看每种信号的名称、编号、作用。

发送端如何发送信号

　　• 硬件产生信号，如我们键盘组合命令可以产生信号，硬件的故障也可能产生信号；

　　• 软件发送信号，最常用的信号发送函数为kill，指定信号类别和目标进程id就可以发送信号。除了kill，还有sigqueue、raise等也能产生信号。

接收端如何处理信号

　　• 忽略信号，不对信号做任何处理；

　　• 执行默认处理程序，每个信号都有自己默认的处理函数；

　　• 执行指定的处理函数，我们可以将信号和自定义的处理函数进行绑定(也可以说是注册一种信号处理函数)，这样接收端会优先执行自定义的信号处理函数。

如何自定义处理函数

　　• signal(int signum,sighandler_t handler);自定义一个handler，绑定到signum信号上。

　　• sigaction(int signum,struct sigaction * act，struct sigaction * oldact);也可以用来注册。

消息队列

和分布式应用的消息队列类似，消息队列是异步通信的一种机制。和数据结构学到的队列一样，我们可以创建一个消息队列，发送端发送消息入队，读取端按需从队列读取信息。这样的通讯是异步的，不会造成进程阻塞。

简单归纳下消息队列和管道通信的区别：

　　• 消息队列是异步通信，管道是同步通信，会使进程阻塞；

　　• 消息队列可以在不相干进程间通信，匿名管道只能在近亲进程间通信；

　　• 消息队列存放在内存中，而有名管道存放在磁盘上，因此消息队列存取速度快；匿名管道在内核缓冲区理论最快，不过使用限制很多；

　　• 因为消息队列存在内存里，因此是以块式存取，而管道都是流式存取。

信号量

在PV操作和锁中已经学到过，信号量是用于并发时资源互斥和同步的一种机制。信号量本身不能传递数据，通常搭配共享内存一同使用。

顾名思义，信号量指的就是信号(资源)的数量。

假如资源数是1，那么信号量初始值s=1；当没有进程访问资源时，即资源空闲时，s=1；这时有一个进程申请访问，执行一次P操作，信号量减一，s=0；紧接着又来了一个进程想用资源，因为s<=0，资源非空闲，它就要等；等到上一个进程用完了，退出时会执行V操作，将信号量加一，这时等待使用的进程发现，s=1了，他就可以进入使用了。

共享内存

顾名思义，即进程之间共享一段内存区域。共享内存理论上是最快的IPC方法，因为其直接对内存的数据进行操作。多个进程不能同时读写一个数据，需要进行同步，而共享内存的系统调用中并未实现同步，需要我们借助信号量机制实现同步。因此共享内存常常和信号量结合使用。

Socket套接字

Socket是否还有印象？在学习计算机网络时我们经常遇见它，它是一种在不同主机的进程间进行网络通信的机制。除了这种网络套接字外，还有一种叫IPC套接字，特指用于同一主机进程间通信的方式。在这几种IPC之中，套接字通信是功能最强大的，也是最为复杂的一种。

 

本文仅仅是对进程间通信方式的总结概述，并未详尽。文中如有错误之处，望网友指正。