进程间通信

Posted 2022-07-20 cuckoo-

进程间通信

　　基本介绍：

　　　　操作系统提供给用户的几种进程间的通信方式

　　　　进程间通信方式是干什么的：

　　　　　　进程间数据传输　　数据共享　　进程控制　　事件通知

　　　　　　正式因为有不同的需求，因此操作系统之间有人提供了多找不同的进程间的通信方式：

　　　　　　　　续继承与unix而来的管道（匿名管道/命名管道）　　共享内存　　消息队列　　信号量

　　　　为什么操作系统要给用户提供进程间通信方式：

　　　　进程的独立性导致进程之间没有办法进行通信——由操作系统来提供一个公共的媒介，来进行通信

　　通信方式：

　　　　管道：（本质是内存的缓冲区）

　　　　　　管道创建在内核态，是一个“半双工通信”（提供双向选择但是只能单向传输）。在传输信息时提供io操作——返回文件描述符作为

　　　　　　句柄（两个文件描述符）一个用于写入数据，另一个用于读数据

　　　　匿名管道/命名管道：

　　　　　　命名管道：有名字则可以通过名字来打开相同的管道进行通信

　　　　　　匿名管道没有名字，因此只能通过子进程复制父进程的方式实现通信（复制了文件描述符）

　　　　　　*匿名管道只能同于具有亲缘关系的进程通信

　　　　　　*命名管道可以用于任意进程间通信

　　　　　　

　　　　　　匿名管道：

　　　　　　　　创建匿名管道（在创建子进程之前）：

　　　　　　　　　　int pipe（int pipefd[2])

　　　　　　　　　　pipefd[0]——管道的读取端

　　　　　　　　　　pipefd[1]——管道的写入端

　　　　　　　　　　返回值　　成功：0　　失败：-1

　　　　　　　　　　读写特性：

　　　　　　　　　　　　1.管道中若没有数据，则read会阻塞，直到读取数据（由数据被写入管道了）。

　　　　　　　　　　　　2.管道中若数据满了，则write会阻塞，直到由空闲空间（有数据被读取走了）。

　　　　　　　　　　　　3.若所有读端被关闭，则wriet会触发异常——SIGPIPE（导致进程退出）

　　　　　　　　　　　　　若所有写端被关闭，则read读完数据之后不会阻塞，而是返回0

　　　　　　　　　　　　进程在操作管道的时候如果没有用到某一端，则把这一端关闭

　　　　　　　　　　　　　　管道符 | 的实现：　　ps -ef | grep pipe

　　　　　　　　　　　　　　　　shell　　父进程pipe

　　　　　　　　　　　　　　　　ps　　　子进程1——>将处理结果打印到标准输出——标准输出重定向

　　　　　　　　　　　　　　　　grep 　　子进程2——>循环从标准输入读取数据——标准输入重定向

　　　　　命名管道：

　　　　　　为管道创建了一个管道文件，这个管道文件就是管道的名字（有名字体现在）

　　　　　　创建名字管道：（本质还是在内核的缓冲区）

　　　　　　　　int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode)

　　　　　　　　pathname——管道我呢见的路劲名

　　　　　　　　mode——创建文件的权限

　　　　　　　　返回值　　成功：0　　失败：-1

　　　　　　打开特性：

　　　　　　　　若管道文件文件没有被写的方式打开，则以只读打开则会阻塞；

　　　　　　读写特性：

　　　　　　　　与匿名管道一样

　　　　管道总结：（管道的本质是内核的一块缓冲区）

1. 匿名管道只能用与具有亲缘关系的进程间通信/命名管道可以用于任意进程间通信
2. 管道的读写特性+命名管道的打开特性
3. 管道是半双工通信——可以选方向的单向通信
4. 管道的生命周期随进程
5. 管道提供流式服务：字节流传输。传输数据的形式以字节流的形式（缺点：不能知道数据的间隔，造成数据粘连）
6. 管道自带同步与互斥功能（读写操作数据大小不超过PIPE_BUF(默认4096)大小，读写操作受保护）
   互斥：对临界资源（公共资源）的同一时间唯一访问性（我操作的时候别人不能操作；不写则读阻塞）
   　　    保证安全
   同步：对临界资源（公共资源）的时序可控性（我操作完了别人才能操作）
              保证合理
   管道的同步与互斥体现在：管道美没有放数据则读阻塞，放了数据之后换对方阻塞，对方读数据
   （我放了，你才能读——同步）；数据往管道中没有放完别人不能读也不能写（互斥）
7. 命名管道独有的特性：打开特性

　　共享内存：（是所有进程间通信方式中最快的一种）

　　　　原理：

　　　　　　1.多个进程通过将同一块内存映射到自己的虚拟地址空间中，实现对相同的一块物理内存进行操作，
　　　　　　2.通过这种方式实现多个进程间的数据共享功能
　　　　　　3.因为共享内存是直接通过虚拟地址操作内存实现共享，相较于其他方式少了两次用户态/内核态之间的数据拷贝

　　　　操作步骤：
　　　　　　1.创建一块共享内存（一个修改，一个查看）
　　　　　　　　key_t ftok(const char* pathname, int proj_id)
　　　　　　　　　　通过文件inode结点号与proj_id生成一个key值
　　　　　　　　shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)
　　　　　　　　　　key:共享内存标识符
　　　　　　　　　　size:共享内存大小
　　　　　　　　　　shmflg:选项标识
　　　　　　　　　　　　IPC_CREAT:共享内存不存在则创建，存在则打开
　　　　　　　　　　　　IPC_EXCL:与IPC_CREAT同用，则共享内存存在时报错
　　　　　　　　　　　　shm_mode 权限
　　　　　　　　　　返回值：标识符（代码中的操作句柄） 失败：-1
　　　　　　　　进程间通信方式的查看：
　　　　　　　　　　ipcs命令:[-m -s ]
　　　　　　　　　　　　可以查看共享内存（nattch表示有多少个进程与它连接）
　　　　　　　　删除共享内存：ipcrm [-m -s -q] shmid
　　　　　　2.将共享内存映射到虚拟地址空间
　　　　　　　　void* shmat(int shmid, const void* shmaddr, int shmflg)
　　　　　　　　　　shmid:创建共享内存，返回句柄
　　　　　　　　　　shmaddr:置空，映射首地址由操作系统分配
　　　　　　　　　　shmflg:映射成功后的操作权限
　　　　　　　　　　　　SHM_RDONLY: 只读
　　　　　　　　　　　　0 默认—可读可写
　　　　　　　　　　返回值：映射首地址 失败：(void* )-1

　　　　　　3.直接对这块内存进行操作

　　　　　　　　memcpy...
　　　　　　4.解除映射关系
　　　　　　　　int shmdt(const void* shmaddr)
　　　　　　　　shmaddr: 映射首地址
　　　　　　5.删除共享内存（删除时会检测是否还有进程与内存映射，如果还有则拒绝其他进程的映射）
　　　　　　　　int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf)
　　　　　　　　　　shmid: 操作句柄
　　　　　　　　　　cmd: 操作类型
　　　　　　　　　　　　IPC_RMID: 删除共享内存
　　　　　　　　　　buf: 设置/获取共享内存的信息
　　　　　　共享内存的删除：
　　　　　　　　不会被直接删除，而是会判断映射连接数是否为0，为0则直接删除，不为0，则拒绝后续其他进程
　　　　　　　　的后续连接，当映射连接数为0 时自动删除。

　　消息队列：(消息队列是可以双向通信，传输的是有类型的数据快)
　　　　通过 msgget 创建一个队列：
　　　　　　int msgget(key_t key, int msgflg)；
　　　　　　利用 msgsnd 来保证获取的数据类型
　　　　本质：内核中的优先级队列

　　信号量：
　　　　本质：内核中的一个计数器，并且带有pcb等待队列

　　计数器：数据资源的计数器
　　　　如果获取数据时，先判断计数器是否>0；
　　　　　　若 > 0，则表示有资源，则可以获取数据，并且资源数据-1；
　　　　　　若 <= 0，则表示没有资源，则阻塞等待；
　　　　　　产生数据，直接计数+1，并且唤醒等待的进程（只会唤醒在pcb等待队列上的进程）。

　　　　作用：用于实现进程/线程间的同步与互斥
　　　　　　    信号量实现同步依靠：等待+唤醒
　　　　　    　信号量实现互斥依靠：计数器（只有0/1）+等待+唤醒