基于POSIX标准的Linux进程间通信

文章目录

  • 1 管道（匿名管道）
    • 1.1 管道抽象
    • 1.2 接口——`pipe`
    • 1.3 管道的特征
    • 1.4 管道的四种情况
    • 1.5 匿名管道用例
  • 2 命名管道
    • 2.1 创建一个命名管道——`mkfifo`
    • 2.2 关闭一个管道文件——unlink
    • 2.3 管道和命名管道的补充
    • 2.4 命名管道用例
  • 3 共享内存
    • 3.1 原理
    • 3.2 系统调用接口——`shmget`
      • 3.2.1 `key`
      • 3.2.2 `ftok`——返回key
      • 3.2.3 `size`
      • 3.2.4 `shmflg`
      • 3.2.5 返回值——shmid
    • 3.3 主动释放共享内存
      • 3.3.1 使用命令——`ipcrm`
      • 3.3.2 系统调用函数——`shmctl`
    • 3.4 将进程与共享内存挂接
      • 3.4.1 关联——`shmat`
      • 3.4.2 去关联——`shmdt`
    • 3.5 共享内存的特点
    • 3.6 共享内存属性 —— `chmctl`
    • 3.5 共享内存用例
  • 4 消息队列
  • 5 IPC在内核中的数据结构

进程间的通信标准

  • system V IPC
    • 消息队列、共享内存、信号量
  • POSIX IPC
  • 消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量、读写锁
  • 基于文件的通信方式——管道

1 管道（匿名管道）

当创建子进程时，进程中的files_struct同样被赋值了一份，如果此时内存中打开了一份内存级文件（该文件同样包含：cnt、inode、file_operators、缓冲区，但是该内存级文件不需要向磁盘刷新缓冲区），并且在父进程的文件描述符表中，那么子进程也会赋值也会同样打开这份文件，此时父子进程可以通过该文件进行通信

1.1 管道抽象

image-20231113233932235

image-20231113235339531

  • 管道只能进行单向通信

1.2 接口——pipe

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd[2]);
//pipefd为输出型参数，函数通过该参数将两个文件描述符输出出来，给用户使用
//pipefd[0] : 读下标
//pipefd[1] : 写下标

1.3 管道的特征

  • 具有血缘关系的进程进行进程间通信
  • 管道只能单向通信
  • 父子进程之间是会协同的，同步与互斥 —— 保护管道文件的数据安全
  • 管道是面向字节流的
  • 管道是基于文件的，而文件的生命周期是随进程的，当进程退出时系统自动释放文件内存

查看一些操作系统的限制，例如管道的大小

ulimit -a

1.4 管道的四种情况

  1. 读写端正常，管道为空，读端阻塞
  2. 读写端正常，管道被写满，写端阻塞
  3. 读写端正常，写端关闭，读端read返回0，表示读到文件(pipe)结尾，不会被阻塞
  4. 写端正常，读端关闭，操作系统会通过信号(13: SIGPIPE)杀掉正在写入的进程

1.5 匿名管道用例

//匿名管道用例
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/wait.h>

using namespace std;

void Writer(int write_fd) {
    char buffer[1023] = {'\0'};
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s-%d", "message, pid: ", getpid());
    write(write_fd, buffer, strlen(buffer));
}

void Reader(int read_fd) {
    char buffer[1023] = {'\0'};
    ssize_t n = read(read_fd, buffer, sizeof(buffer));
    buffer[n] = '\0';
    cout << "child output: " <<  buffer << endl;
}

int main() {
    int pipefd[2];
    int ret = pipe(pipefd);

    pid_t id = fork();
    if (id == 0) {
        close(pipefd[1]);
        Reader(pipefd[0]);
    }
    close(pipefd[0]);
    Writer(pipefd[1]);
    
    int wait_ret = waitpid(id, nullptr, 0);
    return 0;
}

2 命名管道

  • 如果两个不同的进程，打开同一个文件的时候，在内核中，操作系统只会打开一个文件
  • 管道文件
    • 内存级文件，只用文件缓冲区，不用写入到磁盘中
    • 两个进程如何知道打开的是同一份文件：使用同一个文件名

2.1 创建一个命名管道——mkfifo

  • 与文件相同，不能重复创建文件名相同的管道文件！！
  1. 命令

image-20231120170010308

image-20231120170102231

  1. 系统调用函数

image-20231120171040698

2.2 关闭一个管道文件——unlink

image-20231120171212163

2.3 管道和命名管道的补充

  1. 多个进程在通过管道通信时，删除管道文件则无法继续通信? —— 错误

    管道的生命周期随进程，本质是内核中的缓冲区，命名管道文件只是标识，用于让多个进程找到同一块缓冲区，删除后，之前已经打开管道的进程依然可以通信

  2. 命名管道的本质和匿名管道的本质相同都是内核中的一块缓冲区

2.4 命名管道用例

//命名管道用例

//comm.hpp
#pragma once
#include <sys/types.h>
#include <iostream>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

using namespace std;
const string pathname = "./myfifo";

class Init {
public:
    Init() {
        mkfifo(pathname.c_str(), 0666);
    }
    ~Init() {
        unlink(pathname.c_str());
    }
};

//server.cc
#include "comm.hpp"
//读数据
int main() {
    Init init;    //创建管道文件，进程结束调用unlink销毁管道文件
    int fd = open(pathname.c_str(), O_RDONLY);
    
    while (true) {
        char buffer[1024] = {0};
        ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (n == 0) {
            cout << "write close -> read close" << endl;
            break;
        }
        buffer[n] = 0;
        cout << "[server read]$ " << buffer << endl;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

//client.cc
#include "comm.hpp"
//写数据
int main() {
    //读端关闭，发送SIGPIPE信号
    signal(SIGPIPE, [](int){
        cout << "read close -> write close" << endl;
        // unlink(pathname.c_str());
        exit(0);
    });
    int fd = open(pathname.c_str(), O_WRONLY);
    string input;
    while (true) {
        cout << "[client write]$ ";
        getline(cin, input);
        write(fd, input.c_str(), input.size());
    }
    close(fd);
    return 0;
}

3 共享内存

3.1 原理

  1. 申请内存（通过系统调用， 通过操作系统管理所有共享内存）
  2. 挂接到进程地址空间
  3. 返回首地址（虚拟地址）

image-20231120191422225

3.2 系统调用接口——shmget

//创建共享内存用例
const string pathname = "/home/dusong";
const int proj_id = 0x12345;
const int size = 4096;
int main() {
    key_t k = ftok(pathname.c_str(), proj_id);
    int shmid = shmget(k, size, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0X666);
}

image-20231120192625794

3.2.1 key

  • 通过key标识系统中的一块共享内存
  • 对于一个已经创建好的共享内存，key在哪里？ key在共享内存的描述对象中

3.2.2 ftok——返回key

image-20231120194416466

通过pathname和proj_id生成一个哈希值，作为key

  • 若返回值<0，则key获取失败

3.2.3 size

共享内存大小，单位字节

  • 共享内存的大小一般建议是4096（4Kb）的整数倍
  • 如果size为4097，操作系统会给4096*2的空间

3.2.4 shmflg

  • IPC_CREAT：单独使用时，如果申请的共享内存不存在，则创建，存在则获取并返回
  • IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果申请的共享内存不存在，则创建，存在则出错返回，确保每次申请都是一块新的共享内存
  • IPC_EXCL不单独使用
  • 权限（八进制）

3.2.5 返回值——shmid

共享内存标识符shmid

key与shmid的区别

key：用于操作系统内标定唯一性；

shmid（shmget的返回值）：只在进程内，用来表示资源的唯一性

  • 查看所有shmid：
ipcs -m

3.3 主动释放共享内存

共享内存被删除后，则其它进程直接无法实现通信？——错误

共享内存的删除操作并非直接删除，而是拒绝后续映射，只有在当前映射链接数为0时，表示没有进程访问了，才会真正被删除

image-20231123000221166

当进程还在通过共享内存通信时，通过ipcrm删除共享内存，此时任然可以通信

3.3.1 使用命令——ipcrm

  • 使用shmid关闭共享内存
ipcrm -m [shmid]
  • 删除所有进程间通信资源
ipcrm -a

3.3.2 系统调用函数——shmctl

image-20231120234004628

  • 参数2：cmd

    • IPC_RMID：删除共享内存
    • IPC_STAT：查看属性

  • 参数3：buf

    • 删除共享内存时，置为nullptr
    • 查看属性时作为输出型参数，传入一个shmid_ds结构体（描述管理共享内存的属性的结构体）

3.4 将进程与共享内存挂接

3.4.1 关联——shmat

image-20231120232143685

参数2：shmaddr: 指定将共享内存挂接到地址空间的哪个部分，一般设为nullptr

参数3：shmflg: 权限设置， 通常设置为0

返回值：连接到虚拟地址的首地址（作为shmaddr）

  • 查看一个共享内存被进程挂接的数量：
ipcs -m
  • ：shmat之后nattch+1

image-202312081252594731

3.4.2 去关联——shmdt

  • 进程退出时会自动去关联

image-20231120233329871

3.5 共享内存的特点

  1. 共享内存没有同步互斥之类的保护机制，没有内容时不阻塞（管道要阻塞）
  2. 共享内存是所有进程间通信中速度最快的，因为拷贝少，对比管道，管道需要先将内容写到用户级缓冲区中，再通过write写到文件缓冲区中
  3. 共享内存内部的数据由用户自己维护

3.6 共享内存属性 —— chmctl

image-20231121130404235

const string pathname = "/home/dusong";
const int proj_id = 0x12345;
const int size = 4096;

int main() {
    key_t k = ftok(pathname.c_str(), proj_id);
    int shmid = shmget(k, size, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0X666);
    
    struct shmid_ds shmds;
    shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmds);
    cout << shmds.shm_stgsz << << endl;   //该共享内存的大小
    cout << shmds.shm_prem.__key << << endl;   //key
    cout << shmds.shm_prem.mode << << endl;    //权限
}

3.5 共享内存用例

//comm.hpp
#pragma once
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
using namespace std;

const string pathname = "./home/for_pipe/sharedmemory";
const int proj_id = 1234;
const size_t size = 4096;
const string pipepath = "./myfifo";

class Shm {
public:
    Shm(){
        int ret = mkfifo(pipepath.c_str(), 0666);
        if (ret < 0) {
            cout << "make namedfifo fail"<< endl;
            exit(1);
        }
        if (shmid < 0) {
        cout << "shared_memory have created" << endl;
        exit(1);
    }
    }
    ~Shm() {
        shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);
        unlink(pipepath.c_str());
    }
    static int key;
    static int shmid;
};
int Shm::key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);
int Shm::shmid = shmget(Shm::key, size, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);

//server.cc
#include "comm.hpp"

//读端
int main() {
    Shm shm;

    int fd = open(pipepath.c_str(), O_RDONLY);   //通过管道保证互斥与同步

    char* st = (char*)shmat(shm.shmid, nullptr, 0);
    char buffer[2] = {0};
    while(true)  {
        int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (n == 0) {
            cout << "write close -> read close" << endl;
            break;
        }
        cout << "[sever read]$ " << st << endl; 
        sleep(1);
    }
    shmdt(st);
}



//client.cc
#include "comm.hpp"

//写端
int main() {
    //默认信号处理为忽略
    signal(SIGPIPE, [](int){
        shmctl(Shm::shmid, IPC_RMID, nullptr);
        unlink(pipepath.c_str());
        cout << "read close -> write close" << endl;
        exit(0);
    });
    int key = ftok(pathname.c_str(), proj_id);
    int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT|0666);

    char* st = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);  //得到共享内存在虚拟内存空间中的起始地址

    int fd = open(pipepath.c_str(), O_WRONLY);


    string input = "";
    while (true) {
        cout << "[client write]$ ";
        getline(cin, input);
        write(fd, "c", 1);
        memcpy(st, input.c_str(), input.size());   //写数据
    }
    shmdt(st);
}

4 消息队列

  • 创建——msgget <-----ftok

image-20231121193308813

  • 删除——msgctl

    image-20231121193220744

  • 发送/接收数据块——msgsnd、msgrcv

image-20231204105114938

  • 查看消息队列
ipcs -q
  • 删除消息队列
ipcrm -q [msqid]

5 IPC在内核中的数据结构

系统中维护一个struct ipc_prem*数组，通过shmid、msqid、semid作为下标访问，因为每一个shmid_ds、msqid_ds、semid_ds结构体的第一个字段均为ipc_prem，所以系统可以通过将ipc_prem*强制类型转换为对应消息队列、共享内存或者信号量的结构体，从而进行管理

image-20231121200212372

image-20231121200321590

image-20231121200538938

image-20231121200557501

  1. 图片中两个进程通过共享内存建立通信，此时共享内存的连接数为2 ↩︎

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