Linux环境下,进程地址空间相互独立,每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到,所以进程和进程之间不能相互访问,要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲区,进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程2再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信(IPC,InterProcess Communication)。
在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法,如:管道、命名管道、信号、消息队列、共享内存、信号量、套接字等。随着计算机的蓬勃发展,一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有:
管道的通信方式为:写端每次都将数据写入管道缓冲区的 末尾 ,而读端每次都从管道缓冲区的 头部 读出数据。
管道的实质是内核利用 环形队列 的数据结构在 内核缓冲区 中的一个实现,默认设置大小为4K,可以通过ulimit -a
命令查看。由于利用 环形队列 进行实现,读和写的位置都是自动增长的,不能随意改变,一个数据只能被读取一次,读取后数据就会从缓冲区中移除。当缓冲区读空或者写满时,有一定的规则控制相应的读进程或者写进程进入等待队列,当空的缓冲区有新数据写入或者满的缓冲区有数据读出来时,就唤醒等待队列中的进程继续读写。
没有名称
创建管道
int pipe(int pipefd[2]); //成功:0;失败:-1,设置errno
函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open,但需手动close。规定:fd[0] → r; fd[1] → w,就像0对应标准输入,1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区
管道创建成功以后,创建该管道的进程(父进程)同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢?通常可以采用如下步骤:
eg.
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd[2];
int res = pipe(fd);
if(res == -1)
{
perror("pipe error");
return -1;
}
pid_t pid = fork();
if(pid == 0){
// child
close(fd[1]);// close write
char buf[100];
int count = 0;
while(count < 5)
{
memset(buf,0,sizeof(buf));
int res = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
if(res > 0)
{
buf[res - 1] = '\0';
}
printf("I am child! Recv msg:%s from father\n", buf);
++count;
}
close(fd[0]);
}else if(pid > 0){
close(fd[0]);//close read
int count = 0;
char buf[100];
while(count < 5)
{
memset(buf,0,sizeof(buf));
sprintf(buf,"count = %d", ++count);
int res = write(fd[1],buf,strlen(buf) + 1);// 多一个字节存放\0
printf("I am father! Send msg:%s to child!\n",buf);
sleep(2);
}
close(fd[1]);
if(waitpid(pid, NULL, 0) < 0)
{
return -1;
}
}else{
perror("fork error!");
return -1;
}
return 0;
}
运行结果:
使用管道需要注意以下4种特殊情况(假设都是阻塞I/O操作,没有设置O_NONBLOCK标志):
总结:
FIFO常被称为命名管道,以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO,不相关的进程也能交换数据。
命名管道不同于匿名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联,以命名管道的文件形式存在于文件系统中,这样,即使与命名管道的创建进程不存在亲缘关系的进程,只要可以访问该路径,就能够彼此通过命名管道相互通信,因此,通过命名管道不相关的进程也能交换数据。值的注意的是,命名管道严格遵循先进先出(first in first out),对匿名管道及有名管道的读总是从开始处返回数据,对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。命名管道的名字存在于文件系统中,内容存放在内存中。
命名管道阻塞问题:命名管道在打开时需要确实对方的存在,否则将阻塞。即以读方式打开某管道,在此之前必须一个进程以写方式打开管道,否则阻塞。此外,可以以读写(O_RDWR)模式打开命名管道,即当前进程读,当前进程写,不会阻塞。
库函数:
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); //成功:0; 失败:-1
一旦使用mkfifo创建了一个FIFO,就可以使用open打开它,常见的文件I/O函数都可用于fifo。如:close、read、write、unlink等。
eg.
fifo_w.c // 向FIFO中写入数据
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#define MAX_BUF_SIZE 655360
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc < 2)
{
fprintf(stderr,"usage: %s argv[1].\n",argv[0]);
return -1;
}
if(mkfifo(argv[1], 0666) < 0 && errno != EEXIST)
{
fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s.",argv[1],strerror(errno));
return -1;
}
int fd;
if((fd = open(argv[1],O_WRONLY)) < 0)
{
fprintf(stderr,"Fail to open mkfifo %s : %s.",argv[1],strerror(errno));
return -1;
}
printf("open for write success\n");
int n;
char buf[MAX_BUF_SIZE];
while(1)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));
printf(">");
scanf("%s",buf);
n = write(fd, buf, strlen(buf) + 1);// 将\0也写入
printf("Write %d bytes.\nSend MSG:%s\n",n, buf);
}
return 0;
}
fifo_r.c // 从FIFO中读取数据
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#define MAX_BUF_SIZE 655360
int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc < 2)
{
fprintf(stderr,"Usage: %s argv[1]\n",argv[0]);
return -1;
}
if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
{
fprintf(stderr,"Fail to mkfifo %s : %s",argv[1],strerror(errno));
return -1;
}
int fd;
if((fd = open(argv[1],O_RDONLY)) < 0)
{
fprintf(stderr,"Fail to open mkfifo %s : %s",argv[1],strerror(errno));
return -1;
}
int n;
char buf[MAX_BUF_SIZE];
while(1)
{
memset(buf, 0, sizeof(buf));
n = read(fd, buf, sizeof(buf));
printf("Read %d bytes\nRECV MSG:%s\n",n, buf);
}
return 0;
}
运行结果:
写入:
读取:
Linux系统中常用信号:
- SIGHUP:用户从终端注销,所有已启动进程都将收到该进程。系统缺省状态下对该信号的处理是终止进程。
- SIGINT:程序终止信号。程序运行过程中,按
Ctrl+C
键将产生该信号。- SIGQUIT:程序退出信号。程序运行过程中,按
Ctrl+\
键将产生该信号。- SIGBUS和SIGSEGV:进程访问非法地址。
- SIGFPE:运算中出现致命错误,如除零操作、数据溢出等。
- SIGKILL:用户终止进程执行信号。shell下执行
kill -9
发送该信号。- SIGTERM:结束进程信号。shell下执行
kill 进程pid
发送该信号。- SIGALRM:定时器信号。
- SIGCLD:子进程退出信号。如果其父进程没有忽略该信号也没有处理该信号,则子进程退出后将形成僵尸进程。
可以使用kill -l
查看当前系统可用信号有哪些
信号是软件层次上对中断机制的一种模拟,是一种异步通信方式,,信号可以在用户空间进程和内核之间直接交互,内核可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些系统事件,信号事件主要有两个来源:
Ctrl+C
退出、硬件异常如无效的存储访问等。kill
函数、软件异常产生信号。eg.
借助SIGCHLD信号回收子进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
void sys_err(char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
void do_sig_child(int signo)
{
int status; pid_t pid;
while ((pid = waitpid(0, &status, WNOHANG)) > 0) {
if (WIFEXITED(status))
printf("child %d exit %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));
else if (WIFSIGNALED(status))
printf("child %d cancel signal %d\n", pid, WTERMSIG(status));
}
}
int main(void)
{
pid_t pid; int i;
for (i = 0; i < 10; i++) {
if ((pid = fork()) == 0)
break;
else if (pid < 0)
sys_err("fork");
}
if (pid == 0) {
int n = 1;
while (n--) {
printf("child ID %d\n", getpid());
sleep(1);
}
return i+1;
} else if (pid > 0) {
struct sigaction act;
act.sa_handler = do_sig_child;
sigemptyset(&act.sa_mask);
act.sa_flags = 0;
sigaction(SIGCHLD, &act, NULL);
while (1) {
printf("Parent ID %d\n", getpid());
sleep(1);
}
}
return 0;
}
运行结果:
另外与管道不同的是,消息队列在某个进程往一个队列写入消息之前,并不需要另外某个进程在该队列上等待消息的到达
消息队列特点总结:
- 消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识.
- 消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息
- 管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。
- 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。
- 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 节流以及缓冲区大小受限等缺。
- 目前主要有两种类型的消息队列:POSIX消息队列以及System V消息队列,System V消息队列目前被大量使用。System V消息队列是随内核持续的,只有在内核重起或者人工删除时,该消息队列才会被删除。
对于系统中的每个消息队列,内核维护一个定义在<sys/msg.h>
头文件中的信息结构。
struct msqid_ds {
??? struct ipc_perm msg_perm ;
??? struct msg*??? msg_first ; //指向队列中的第一个消息
??? struct msg*??? msg_last ; //指向队列中的最后一个消息
??? ……
} ;
调用的第一个函数通常是msgget
,其功能是打开一个现存队列或创建一个新队列。
#include <sys/msg.h>
int msgget (key_t key, int oflag) ;
返回值是一个整数标识符,其他三个msg函数就用它来指代该队列。它是基于指定的key产生的,而key既可以是ftok的返回值,也可以是常值IPC_PRIVATE。
oflag是读写权限的组合(用于打开时)。它还可以是IPC_CREATE或IPC_CREATE | IPC_EXCL(用于创建时)。
使用msgsnd
打开一个消息队列后,我们使用msgsnd
往其上放置一个消息。
#include <sys/msg.h>
int msgsnd (int msqid, const void *ptr, size_t length, int flag) ;
其中msqid是由msgget返回的标识符。ptr是一个结构指针,该结构具有如下模板(我们需要按这个模板自己定义结构体)
struct mymesg {
long mtype ; //消息类型(大于0)
char mtext[512] ; //消息数据
} ;
//结构体的名字和其中变量名都由我们自己确定,我们只要按照这个模板定义即可。
消息数据mtext中,任何形式的数据都是允许的,无论是二进制数据还是文本,内核根本不解释消息数据的内容。(我们可以在消息的数据部分 再分割一部分 根据需要定义自己的通信协议)
参数length指定了待发送消息数据部分的长度。
参数flag的值可以指定为IPC_NOWAIT。这类似于文件IO的非阻塞IO标志。若消息队列已满,则指定IPC_NOWAIT使得msgsnd立即出错返回EAGAIN。
如果没有指定IPC_NOWAIT,则进程阻塞直到下述情况出现为止:①有空间可以容纳要发送的消息 ②从系统中删除了此队列(返回EIDRM“标识符被删除”)③捕捉到一个信号,并从信号处理程序返回(返回EINTR)
使用msgrcv函数从某个消息队列中读出一个消息。
#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv (int msqid, void* ptr, size_t length, long type, int flag) ;
参数ptr指定所接收消息的存放位置。参数length指定了数据部分大小(只想要多长的数据)
参数type指定希望从队列中读出什么样的消息。
type == 0 返回队列中的第一个消息
type > 0? 返回队列中消息类型为type的第一个消息
type < 0? 返回队列中消息类型值小于或等于type绝对值的消息,如果这种消息有若干个。则取类型值最小的消息。
(如果一个消息队列由多个客户进程和一个服务器进程使用,那么type字段可以用来包含客户进程的进程ID)
?参数flag可以指定为IPC_NOWAIT,使操作不阻塞。
msgctl函数提供在一个消息队列上的各种控制操作。
#include <sys/msg.h>
int msgctl (int msqid, in cmd, struct msqid_ds * buff) ;
参数cmd说明对由msqid指定的队列要执行的命令:
IPC_STAT :取此队列的msqid_ds结构,并将它存放在buf指向的结构中。
IPC_SET? :按由buf指向结构中的值,设置与此队列相关结构中的字段。
IPC_RMID:从系统中删除该消息队列以及仍在该队列中的所有数据。
(这三条命令也可用于信号量和共享存储)
eg.
一个写进程,多个读进程
//-------------------头文件msgqueue.h ------------------
#ifndef _MAGQUEUE_H_
#define _MAGQUEUE_H_
#include <sys/ipc.h> //包含ftok
#include <sys/msg.h>
#include <sys/types.h>
//消息队列的读 写模式掩码
#define MSG_W 0200
#define MSG_R 0400
//定义众所周知的消息队列键
#define MQ_KEY1 128L
#define DATA_SIZE 512
typedef struct msgbuf
{
long mtype ;
char mdata[DATA_SIZE] ;
} mymsg_t ;
#endif
//-----------------客户端进程-----------------
#include "msgqueue.h"
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void client(int, int) ;
int main(int argc, char** argv)
{
int msgqid ;
//打开消息队列
msgqid = msgget(MQ_KEY1, 0) ;
if (msgqid < 0)
{
puts("Open msg queue error!\n") ;
exit(0) ;
}
client(msgqid, msgqid) ;
exit(0) ;
}
void client(int readfd, int writefd)
{
mymsg_t msgToServer ;
mymsg_t msgFromServer ;
char* writePtr ;
ssize_t pidLen ;
ssize_t dataLen ;
ssize_t recvBytes ;
int pid ;
//-------构造一条消息-----
//消息类型为1
msgToServer.mtype = 1 ;
//在消息头部放本进程ID和空格
pid = getpid() ;
snprintf(msgToServer.mdata, DATA_SIZE, "%ld ", pid) ;
pidLen = strlen(msgToServer.mdata) ;
writePtr = msgToServer.mdata + pidLen ;
//从标准输入读入文件路径
fgets(writePtr, DATA_SIZE - pidLen, stdin) ;
dataLen = strlen(msgToServer.mdata) ;
if (msgToServer.mdata[dataLen-1] == '\n') //删除换行符
{
msgToServer.mdata[dataLen-1] = '\0' ;
}
//发送消息
if (msgsnd(writefd, &msgToServer, strlen(msgToServer.mdata), 0) == -1)
{
puts("Send Error!");
exit(0) ;
}
//-----接收来自服务器的消息
while ((recvBytes = msgrcv(readfd, &msgFromServer, DATA_SIZE, pid, 0)) > 0)
{
write(STDOUT_FILENO, msgFromServer.mdata, recvBytes) ;
}
}
//---------------服务器端进程---------------
//消息队列是双向通信的,故用单个队列就够用。
//我们用每个消息的类型来标识该消息是从客户到服务器,还是从服务器到客户。
//客户向队列发类型为1、PID和路径名。
//服务器向队列发类型为客户进程ID的文件内容。
//
//小心死锁隐患:
//客户们可以填满消息队列,妨碍服务器发送应答,于是客户被阻塞在发送中,服务器也被阻塞。
//避免的方法是:约定服务器对消息队列总是使用非阻塞写。
#include "msgqueue.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void server(int, int) ;
int main(int argc, char** argv)
{
int msgqid;
//创建消息队列
msgqid = msgget(MQ_KEY1, IPC_CREAT) ;
if (msgqid < 0)
{
puts("Create msg queue error!\n") ;
exit(0) ;
}
server(msgqid, msgqid) ;
exit(0) ;
}
void server(int readfd, int writefd)
{
FILE* fp ;
pid_t clientPid ;
mymsg_t* msgPtr ;
ssize_t recvBytes ;
char* pathStr ;
while(1)
{
//从消息队列中读取来自客户的请求文件路径
msgPtr = malloc(DATA_SIZE + sizeof(long)) ;
recvBytes = msgrcv(readfd, msgPtr, DATA_SIZE, 1, 0) ; //阻塞读
if (recvBytes <= 0)
{
puts("pathname missing") ;
continue ;
}
msgPtr->mdata[recvBytes] = '\0' ;
//分析消息,提取客户PID,文件路径
if ((pathStr = strchr(msgPtr->mdata, ' ')) == NULL)
{
puts("bogus request!") ;
continue ;
}
*pathStr++ = 0 ;
clientPid = atol(msgPtr->mdata) ;
//读取文件内容 返回给客户
msgPtr->mtype = clientPid ; //msgPtr既作为接收消息 又用作发送消息
if ((fp = fopen(pathStr, "r")) == NULL)
{
//读取文件失败,返回给客户失败信息(在原消息内容后 添加错误信息)
snprintf(msgPtr->mdata + recvBytes, sizeof(msgPtr->mdata) -recvBytes,
": can't open!") ;
if (msgsnd(writefd, msgPtr, strlen(msgPtr->mdata), IPC_NOWAIT) == -1)
{
puts("Send Error!");
exit(0);
}
}
else
{ //copy文件内容 发给客户
while (fgets(msgPtr->mdata, DATA_SIZE, fp) != NULL)
{
msgsnd(writefd, msgPtr, strlen(msgPtr->mdata), IPC_NOWAIT) ; //非阻塞写
}
}
}//while()
}
原文:https://www.cnblogs.com/joker-wz/p/11000489.html