【Linux杂货铺】进程通信

🌈 前言🌈

📁 通信概念

📁 通信发展阶段

📁 通信方式

📁 管道（匿名管道）

📂 接口

编辑📂 使用fork来共享通道

📂 管道读写规则

📂 管道特征

📁 命名管道

📂 接口

📂 管道和命名管道的区别

📁 System V IPC

📁 共享内存

📂 原理

📂 接口

📁 消息队列

📁 信号量

📂 进程互斥

📁 总结

🌈 前言🌈

欢迎收看本期【Linux杂货铺】，本期内容将讲解进程是如何实现通信的，即资源共享。本篇文章主要聚焦于本地通信。重点讲解管道，共享内存实现进程通信，拓展了解消息队列，信号量等内容。

📁 通信概念

进程通信是什么，这里就不做阐述了，就如字面意思，让进程之间信息交流。

通信的目的有：

1. 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。

2. 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。

3. 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它们发生了某种事件（如子进程终止通知父进程）

4. 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（Debug进程），此时控制进程希望能拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能及时知道它的状态。

📁 通信发展阶段

在Linux中，进程通信的发展阶段经历了几个阶段，主要包含以下几个阶段：

1. 初始阶段：最早期的Linux内核中，进程通信方式相对有限，主要依赖于管道(Pipe) 和信号(Signal)这样的基础机制。此时通信较为简单和有限。

2. System V IPC ：随着Linux的发展，引入了System V IPC，它是一组用于进程间通信的API（Application Programming Interface），.System V IPC包括了共享内存（Shared Memory）、信号量（Semaphore）和消息队列（Message Queue）等机制。

3. POSIX IPC：随着Linux逐渐趋近POSIX（Portable Operating System Interface）标准，进程通信也逐渐向POSIX IPC过渡。POSIX IPC是一套与平台无关的进程通信接口，包括命名管道（Named Pipe）、共享内存（Shared Memory）、信号量（Semaphore）和消息队列（Message Queue）等。

4. Socket编程：随着互联网的兴起和网络技术的发展，Socket编程成为Linux中重要的进程通信方式。通过Socket编程，进程可以在不同主机之间进行通信，实现远程进程间的通信和数据交换。

5. 其他高级通信机制：随着分布式系统和多线程编程的发展，还出现了更多高级的进程通信机制，如RPC（Remote Procedure Call，远程过程调用）、MPI（Message Passing Interface，消息传递接口）等。

📁 通信方式

在Linux中，我们可以将进程通信分为一下多种方式：

1. 管道（Pipe）: 是一种半双工（一段度，另一端只能写）的通信方式，适用于具有父子关系的进程通信。可以实现一个进程将输出数据传递到另一个进程进行输入。

2. 命名管道（Name Pipe）：是一种特殊的文件，可用于不想管的进程之间通信。与普通管道不同，命名管道通过文件系统进行访问。

3. 信号（Signal）：是一种轻量级的进程通信机制，用于在进程之间发送异步通知。一个进程向另一个进程发送信号，接受方式根据不同信号类型采取相应的处理操作。

4. 共享内存（Shared Memory）：共享内存是一种高效的进程间通信方式，允许多个进程共享同一块物理内存区域。进程可以直接读写共享内存，避免了数据的复制和传输开销。

5. 信号量（Semaphore）：信号量是一种计数器，用于控制多个进程对共享资源的访问。通过对信号量进行加减操作，进程可以申请和释放共享资源，实现进程间的互斥和同步。

6. 消息队列（Message Queue）：消息队列是一种按照消息的方式进行进程间通信的机制。进程可以往消息队列中发送消息，并从消息队列中接收消息，实现异步通信和解耦合。

7. 套接字（Socket）：套接字是一种网络编程接口，也可以用于进程间通信。通过创建套接字，进程可以在不同主机之间进行通信，实现远程进程的通信和数据交换。

以上这些进程通信方式在Linux中都有对应的系统调用和库函数来支持，开发者可以根据具体需求选择合适的方式进行进程间通信。

📁 管道（匿名管道）

管道式Unix中最古老的进程间通信的形式。我们吧从一个进程链接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”

📂 接口

 #include <unistd.h>
功能:创建一无名管道
原型
int pipe(int fd[2]);
参数
fd：文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0，失败返回错误代码

📂 使用fork来共享通道

通过文件描述符表来理解，父子进程如何确定同一个通道。

在内核里，管道的本质就是一块内核级的文件空间。

📂 管道读写规则

1. 如果管道内部是空的，并且wfd没有关闭，读取条件不具备，所以读进程被阻塞，等待读取条件成立，即对端写入数据。

2. 向管道写，并且rfd不读且没有关闭，管道写满了，写进程会被阻塞，等待写条件具备，即对端读取数据。

3. 管道一直在读，但wfd写端关闭，读端的read会读到0，表示读到文件结尾。

4. 读端rfd关闭，写端wfd不会一直写入，一旦写入进程会杀掉。会给进程发送信号（13号信号）。

📂 管道特征

.1. 匿名管道只能用来进行具有血缘关系的进程之间，进行通信，常用于父子进程之间通信。

2. 管道内部，自带进程之间同步的机制。

3. 管道文件的生命周期是随进程的。

4. 管道文件在通信的时候，是面向字节流的，write的次数和读取的次数不是一一匹配的。

5.管道的通信方式，是一种特殊的半双工模式。

管道的特征对命名管道同样适应。

📁 命名管道

管道应用的一个限制就是只能具有共同的祖先（具有血缘关系）的进程间通信。

如果我们想要不想管的进程之间通信，可以使用命名管道（FIFO）。命名管道是一种特殊的文件。

管道（匿名，命名）是内核级的，不与磁盘进行交互，即不会讲数据刷新到磁盘。

📂 接口

命名管道，之所以叫命名管道是因为需要有名字，不同进程之间如何知道一个命名管道呢，就是通过具有唯一性的文件路径，通过文件路径找到这个命名管道，并进行文件读写操作。

因此，我们在创建命名管道的时候，需要提供文件路径，以此来创建命名管道文件。

指令
mkfifo filename

系统调用
int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);
 mode是指权限。

//创建管道文件

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

int main()
{
    mkfifo("./fifo",0x666);
        
    return 0;
}

删除管道指令
unlink filename

删除管道接口
#include <unistd.h>

int unlink(const char* pathname)

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    mkfifo("./fifo",0x666);

    sleep(5); //过5秒后，清除命名管道文件

    unlink("./fifo");
    return 0;
}

📂 管道和命名管道的区别

1. 管道通过pipe函数创建并打开。

2. 命名管道有mkfifo函数创建，打开用open。

3. FIFO（命名管道）和 pipe（匿名管道）之间唯一的区别分别在它们的创建与打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，它们具有相同的意义。

📁 System V IPC

System V IPC（Inter-Process Communication）是一种在Unix-like操作系统中用于进程间通信的机制。它提供了三种主要的IPC对象：消息队列（Message Queues）、信号量（Semaphores）和共享内存（Shared Memory），这些对象允许不同的进程在同一台计算机上进行通信和共享数据。

经过不断发展，进程通信有了更好的方式，即通过网络进行通信，所以单纯的本地通信已经很少用到，因此我们将主要讲解共享内存，因为相比较足够简单，如果感兴趣可以学习了解消息队列和信号量。

📁 共享内存

共享内存区是最快的IPC形式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，换句话说是进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据。

📂 原理

在物理内存中创建一段空间，建立与虚拟地址空间的映射映射到虚拟地址空间中的共享区。此后两进程的通信再也不需要再进入内核态调用系统调用，直接通过代码读写共享区即可，例如malloc出一段空间，通过指针来使用这段空间。

对于上面操作，需要理解：

1. 以上操作都是OS操作的，如共享内存的映射。

2. OS必须提供系统调用，供进程使用。如开辟共享内存。

3. 共享内存可以在系统中存在多份，供不同个数，不同进程进行通信。

4. OS要对共享内存进行管理，即共享内存不是简单的一段内存空间，也要有描述和管理共享内存的数据结构和匹配算法。

5. 共享内存 = 内存空间（数据） + 属性。

📂 接口

1. 创建一个共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

a. size：是用来指示共享内存空间的大小。

b. shmflag：用于指定共享内存区域的权限和选项。IPC_CREAT 和 IPC_EXCL

IPC_CREAT：如果要创建的共享内存在OS内不存在，就创建，如果存在，就获取并返回。

IPC_EXCL：不能单独使用，必须和IPC_CREAT组合。

IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果不存在，创建；存在，出错并返回。

c. key：唯一标识共享内存区域的键值。这是用户提供给系统使用的具有唯一性的键值。
这里为什么要用户自己提供呢？不可以OS自己生成一个吗？不可以，我们的出发点就是通过共享内存实现两个进程通信，如果两个进行都知道这个key，那还大费周章干什么，直接通信就好了。

d. 返回值 shmid：也是一个唯一标识共享区域的键值。不过它是系统提供给用户使用的。这主要是为了解耦。

shmid 与 key 的区别：

1. key是用户设置，内核使用的字段，用户不能使用key来进行shm管理。key是内核区分shm唯一性的。

2. shmid是内核返回给用户的一个标识符，用来进行用户级，对共享内存进行操作的。

2. 挂载共享内存

共享内存想要使用，必须先将物理内存与虚拟内存进行映射。因此需要将共享内存挂接。

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

//挂接 , 只需要输入shmid 即可 ，其他分别输入 nullptr , 0 
//失败返回0，成功返回共享内存的起始地址。
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

//取消挂接,只需要输入挂接成功后返回的地址。
int shmdt(const void *shmaddr);

3. 删除共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
//第二个参数为 IPC_RMID , 第三个参数为 nullptr

4. 指令查看和删除

ipcs -m : 查看

ipcrm -m shmid : 删除

此外，我们还需要认识到，共享内存/消息队列/信号量的生命周期随内核的，即进程的结束并不会受到影响，必须手动释放（指令或系统调用），否则会一直存在。

管道的生命周期随内核。

📁 消息队列

消息队列提供了一个从一个进程向另外一个进程发送一块数据的方法

每个数据块都被认为是有一个类型，接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值

特性方面：IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以system V IPC资源的生命周期随内核

📁 信号量

严格来说，信号量是一种用于实现进程间同步和互斥的机制，通过它可以控制对共享资源的访问。

信号量是一种计数器，用于控制多个进程对共享资源的访问。通过对信号量进行加减操作，进程可以申请和释放共享资源，实现进程间的互斥和同步。

需要经过申请信号量，访问共享内存，释放信号量 这几个过程。

因为信号量本身是一种共享资源，需要被所有进程看到，因此也列为进程通信的范畴。

📂 进程互斥

我们需要重申几个概念：

1. 多个执行流能看到的一份资源：共享资源。

2. 被保护起来的资源，叫做临界资源。保护资源的方式：同步 and 互斥。

3. 互斥：任何时刻只能有一个进程在访问共享资源。

4. 代码 = 访问共享资源的代码（临界区） + 不访问公共享资源的代码（非临界区）

5. 对共享资源进行保护，本质是对共享资源的代码进行保护。

由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥。

系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。

在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区。

在多线程的章节里，我们会讲解信号量，这里先做一定的了解。

📁 总结

因此，进程本地通信的方式截止目前，我们学习了管道，命名管道，共享内存，了解了消息队列和信号量。介绍了进程通信的发展历史阶段，上述三种通信方式的系统调用接口和指令。拓展了进程互斥的概念，为日后学习多线程做了铺垫。

以上，就是本期【Linux杂货铺】的主要内容了，如果感觉本篇文章对你有帮助，欢迎点赞收藏，关注Thanks♪(･ω･)ﾉ