进程间通信
- 这次更新内容比较干巴,满满嚼,把例子敲一遍好好理解。如果您着急,请直接打开目录跳转到对您有价值的部分
- 管道
- 无名管道(PIPE)
- 特点
- 使用方法
- 举个栗子
- 有名管道(FIFO)
- 特点
- 使用方法
- 举个栗子
- 信号
- 概念
- 响应方式
- 信号
- 函数
- 举个栗子:(信号的知识实现司机和售票员问题)
- 共享内存
- 特点
- 步骤
- 函数
- 举个栗子
- 信号灯集
- 特点
- 信号灯种类:
- 步骤
- 函数
- 举个栗子
- 消息队列
- 特点:
- 步骤:
- 函数:
- 举个栗子
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进程间通信(IPC,InterProcess Communication)是指在不同进程之间传播或交换信息。简单说就是进程之间可以相互发送数据。
IPC的方式通常有管道(包括无名管道和命名管道)、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。Socket用在网络编程中。
管道
管道分为无名管道和有名管道
无名管道 ——》pipe——》只能给有亲缘关系进程通信
有名管道 ——》fifo —— 》可以给任意单机进程通信
管道的特性:
管道是半双工的工作模式
所有的管道都是特殊的文件不支持定位操作。(lseek->> fd fseek ->>FILE* )
管道是特殊文件,读写使用文件IO。(open,read,write,close)
无名管道(PIPE)
无名管道用于有亲缘关系的进程间的通信,管道字如其名,它就像在两个进程之间铺设了一条管道,进程通过管道进行数据交互。无名管道是没有名字的,它由pipe或者pipe2函数创建,与之对应的是有名管道。
特点
(1)只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信
(2)单工管道,半双工通信模式,具有固定的读端和写端
(3)管道可以看成是一种特殊的文件,对于它的读写可以使用文件IO如read、write函数。
(4)管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时,它会创建两个文件描述符fd[0]和fd[1]。其中fd[0]固定用于读管道,而fd[1]固定用于写管道。
(5)无名管道的操作属于一次性操作,如果对无名管道进行读操作,数据会被全部读走
(6)无名管道的大小是固定的,管道一旦满,写操作就会导致进程阻塞,管道的大小是64K。只有读出大于等于4K之后,写操作解除阻塞。
(7)当管道中无数据时,执行读操作,读操作阻塞
(8)无名管道不保证操作的原子性,如果当前管道,满足读写条件,读写可同时进行。
(9)向无名管道中写去数据,将读端关闭,管道破裂,进程收到信号(SIGPIPE),默认这个信号会将进程杀死 。
(10)当管道中有数据,将写端关闭,读操作可以执行,之后数据读完,可以继续读取(非阻塞),直接返回0。
(11)无需open,但需手动close。
(12)不支持如lseek() 操作。队列形式,先进先出,属于一次性操作。
使用方法
#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);功能:创建无名管道参数:int pipefd[2]:数组的首地址,保存的是无名管到的两个文件描述符pipefd[0] - 读端pipefd[1] - 写端 数据从写端写入到管道,读端读出来。
返回值:成功 0 失败-1、更新errno
举个栗子
//例子:父进程中循环读文件内容写到管道中,子进程循环读管道内容写道一个新文件中
int main(int argc, char const *argv[])
{char buf[32];int fd[2],fd_src,fd_dest;int ret;if (pipe(fd) < 0){perror("pipe error");return 0;}pid_t pid = fork();if (pid < 0)perror("fork error");else if (pid == 0){close(fd[0]);fd_src = open(argv[1], O_RDONLY);if (fd_src < 0)perror("open src error");while ((ret = read(fd_src, buf, sizeof(buf))) != 0)write(fd[1], buf, ret);}else{close(fd[1]);fd_dest = open(argv[2], O_TRUNC | O_CREAT | O_WRONLY, 0666);if (fd_dest < 0)perror("open dest error");while ((ret = read(fd[0], buf, sizeof(buf))) != 0)write(fd_dest, buf, ret);wait(NULL);}close(fd[0]);close(fd[1]);close(fd_src);close(fd_dest);
}
有名管道(FIFO)
特点
(1)有名管道的创建之后会在文件系统中以管道文件的形式存在;
(2)有名管道可以用于任意两个进程间的通信,没有固定的读端和写端
(3)有名管道可以使互不相关的两个进程互相通信。
(4)有名管道可以通过路径名来指出,并且在文件系统中可见,但内容存放在内存中。
(5)进程通过文件IO来操作有名管道
(6)有名管道以队列的方式先进先出
(7)一次性操作,不支持lseek()
通过命令创建
mkfifo my_fifo
$ mkfifo filename -m mode
mkfifo myfifo -m 0666(创建一个命名管道myfifo,其权限为0666)
创建管道文件成功后,只是对应在磁盘中有这个文件了,并没有对应的内存,只有在一个进程用open打开这个文件后,这个管道缓冲区(数组)才会开辟存在。close关闭后其缓冲区释放不存在。
使用方法
int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);功能:创健有名管道参数:filename:有名管道文件名mode:权限返回值:成功:0 失败:-1,并设置errno号 注意对错误的处理方式:如果错误是file exist时,注意加判断,如:if(errno == EEXIST)
以O_WRONLY打开管道,写阻塞
以O_RDONLY打开管道,读阻塞
以O_RDWR打开管道,管道中没有内容,读阻塞 #include <stdlib.h>
int system(const char *command);
功能:调用可执行命令,实现命令功能。
system("rm fifo");删除管道文件
举个栗子
int main(int argc, char const *argv[])
{int fd, fp;char a[32];if (mkfifo("./fifo", 0666) < 0){if (errno == EEXIST)printf("file eexist\n");elseperror("fifo err");}pid_t pid = fork();if (pid < 0)perror("err");else if (pid == 0){fd = open("./fifo", O_RDONLY);if (fd < 0)perror("open err");while (1){if (strcmp(a, "quit") == 0)break;printf("%s",a);}}else{fp = open("./fifo", O_WRONLY);if (fp < 0)perror("open err");while (1){scanf("%s", a);if (strcmp(a, "quit") == 0)break;write(fp, a, 32);}}close(fd);return 0;
}
信号
概念
(1)信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟,是一种异步通信方式
(2)信号可以直接进行用户空间进程和内核进程之间的交互,内核
进程也可以利用它来通知用户空间进程发生了哪些系统事件。
(3)如果该进程当前并未处于执行态,则该信号就由内核保存起来,
直到该进程恢复执行再传递给它;如果一个信号被进程设置为阻塞,
则该信号的传递被延迟,直到其阻塞被取消时才被传递给进程。
响应方式
(1)忽略信号:对信号不做任何处理,但是有两个信号不能忽略:即SIGKILL及SIGSTOP。
(2)捕捉信号:定义信号处理函数,当信号发生时,执行相应的处理函数。
(3)执行缺省操作:Linux对每种信号都规定了默认操作
信号
SIGINT:ctrl+c 终止信号
SIGQUIT:ctrl+\ 终止信号
SIGTSTP:ctrl+z 暂停信号
SIGALRM:闹钟信号 收到此信号后定时结束,结束进程
SIGCHLD:子进程状态改变,父进程收到信号
SIGKILL:杀死信号
SIGSTOP:停止信号
SIGUSR1和SIGUSR2:未定义默认功能的信号
函数
1.信号发送
int kill(pid_t pid, int sig);
功能:信号发送
参数:pid:指定进程sig:要发送的信号
返回值:成功 0失败 -1
2.进程向自己发送信号
int raise(int sig);
功能:进程向自己发送信号
参数:sig:信号
返回值:成功 0失败 -1
3.设置一个定时器
unsigned int alarm(unsigned int seconds)
功能:在进程中设置一个定时器
参数:seconds:定时时间,单位为秒
返回值:如果调用此alarm()前,进程中已经设置了闹钟时间,则
返回上一个闹钟时间的剩余时间,否则返回0。注意:一个进程只能有一个闹钟时间。如果在调用alarm时
已设置过闹钟时间,则之前的闹钟时间被新值所代替
4.将调用进程挂起直到收到信号为止
int pause(void);
功能:用于将调用进程挂起直到收到信号为止。
5.信号处理函数(注册信号)
void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);或者:typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)
功能:信号处理函数(注册信号)
参数:signum:要处理的信号handler:SIG_IGN:忽略该信号。SIG_DFL:采用系统默认方式处理信号。自定义的信号处理函数指针
返回值:成功:设置之前的信号处理方式失败:SIG_ERR
举个栗子:(信号的知识实现司机和售票员问题)
/*用信号的知识实现司机和售票员问题。
1)售票员捕捉SIGINT(代表开车)信号,向司机发送SIGUSR1信号,司机打印(let's gogogo)
2)售票员捕捉SIGQUIT(代表停车)信号,向司机发送SIGUSR2信号,司机打印(stop the bus)
3)司机捕捉SIGTSTP(代表到达终点站)信号,向售票员发送SIGUSR1信号,售票员打印(please get off the bus)
4)司机等待售票员下车,之后司机再下车。分析:售票员:子进程捕捉:SIGINT SIGQUIT SIGUSR1忽略:SIGTSTP 司机:父进程捕捉:SIGUSR1 SIGUSR2 SIGTSTP忽略:SIGINT SIGQUIT*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t pid;
void bus_handler(int sig)
{if (sig == SIGUSR1)printf("let's gogogo\n");if (sig == SIGUSR2)printf("stop the bus\n");if (sig == SIGTSTP)kill(pid, SIGUSR1);
}
void sal_handler(int sig)
{if (sig == SIGINT)kill(getppid(), SIGUSR1);if (sig == SIGQUIT)kill(getppid(), SIGUSR2);if (sig == SIGUSR1){printf("please get off the bus\n");exit(-1);}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{pid = fork();if (pid < 0)perror("fork err.");else if (pid == 0){signal(SIGINT, sal_handler);signal(SIGQUIT, sal_handler);signal(SIGUSR1, sal_handler);signal(SIGTSTP, SIG_IGN);while (1)pause();}else{signal(SIGUSR1, bus_handler);signal(SIGUSR2, bus_handler);signal(SIGTSTP, bus_handler);signal(SIGINT, SIG_IGN);signal(SIGQUIT, SIG_IGN);wait(NULL);}return 0;
}
共享内存
特点
(1)共享内存是一种最为高效的进程间通信方式,进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝
(2)为了在多个进程间交换信息,内核专门留出了一块内存区,可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间
(3)进程就可以直接读写这一内存区而不需要进行数据的拷贝,从而大大提高的效率。
(4)由于多个进程共享一段内存,因此也需要依靠某种同步机制,
如互斥锁和信号量等
步骤
//ftok函数获取一个关键key值 ftok()
//创建一个共享内存或打开(key)-实际的物理内存空间shmget()
//建立共享内存和虚拟地址的映射shmat()
//取消映射shmdt()
//销毁共享内存shmctl()
函数
1.产生key值
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);功能:产生一个独一无二的key值参数:Pathname:已经存在的可访问文件的名字Proj_id:一个字符(因为只用低8位)返回值:成功:key值失败:-1,更新errno
2.创建或打开共享内存
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);功能:创建或打开共享内存参数:key 键值size 共享内存的大小 shmflg IPC_CREAT|IPC_EXCL|0777创建共性内存 | 判断是否存在,存在报错返回 | 共享内存的权限返回值:成功 shmid出错 -1,更新errno查看共享内存的命令:ipcs 删除共享内存:ipcrm -M key 或 ipcrm -m shmid
3.映射共享内存
void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);功能:映射共享内存,即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问参数:shmid 共享内存的id号shmaddr 一般为NULL,表示由系统自动完成映射如果不为NULL,那么有用户指定shmflg:SHM_RDONLY就是对该共享内存只进行读操作shm_rdonly0 可读可写 返回值:成功:完成映射后的地址,出错:-1地址用法:if((p = (char *)shmat(shmid,NULL,0)) == (char *)-1)
4.取消映射
int shmdt(const void *shmaddr);功能:取消映射参数:要取消的地址返回值:成功0 失败的-1
5.删除共享内存
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);功能:(删除共享内存),对共享内存进行各种操作参数:shmid 共享内存的id号cmd IPC_STAT 获得shmid属性信息,存放在第三参数IPC_SET 设置shmid属性信息,要设置的属性放在第三参数IPC_RMID:删除共享内存,此时第三个参数为NULL即可 返回: 成功0 失败-1用法:shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
举个栗子
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
//创建一个KEY值
int main(int argc, char const *argv[])
{key_t key;key = ftok("./user1.c", 'B');if (key < 0){perror("ftof err");return -1;}printf("key=%#x\n", key);//创建一个共享内存或打开(key),实际的物理内存空间int shmid = shmget(key, 128, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (shmid < 0){if (errno == EEXIST){shmid = shmget(key, 128, 0666);}else{perror("shmget err");return -1;}}printf("shmid=%d\n", shmid);//3.建立共享内存和虚拟地址的映射关系char *sp = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);if (sp == (char *)-1){perror("chmat err");return -1;}fgets(sp, 128, stdin);printf("%s\n", sp);//4.取消映射shmdt(sp);//5.销毁共享内存shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);return 0;
}
信号灯集
特点
信号灯(semaphore),也叫信号量。它是不同进程间或一个给定进程内部不同线程间同步的机制
System V的信号灯是一个或者多个信号灯的一个集合。其中的每一个都是单独的计数信号灯。而Posix信号灯指的是单个计数信号灯
信号灯种类:
posix有名信号灯
posix基于内存的信号灯(无名信号灯)
System V信号灯(IPC对象)
步骤
//创建key值ftok
//创建或打开信号灯集semid = semget(key, num, flag);
//初始化信号灯(赋初始的资源量)semctl(semid, 编号, SETVAL, union semun);
//PV操作semop(semid, struct sembuf, 1);
//删除信号灯集semctl(semid, 0, IPC_RMID);
函数
1.创建/打开信号灯
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);功能:创建/打开信号灯参数:key:ftok产生的key值nsems:信号灯集中包含的信号灯数目semflg:信号灯集的访问权限,通常为IPC_CREAT|IPC_EXCL |0666返回值:成功:信号灯集IDIPC_EXCL失败:-1、更新errno
2.对信号灯集合中的信号量进行PV操作
int semop ( int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);功能:对信号灯集合中的信号量进行PV操作参数:semid:信号灯集IDstruct sembuf {short sem_num; // 要操作的信号灯的编号short sem_op; // 0 : 等待,直到信号灯的值变成0// 1 : 释放资源,V操作// -1 : 申请资源,P操作 short sem_flg; // 0(阻塞),IPC_NOWAIT, SEM_UNDO};nops: 要操作的信号灯的个数 1个返回值:成功 :0失败:-1用法:申请资源 P操作: mysembuf.sem_num = 0;mysembuf.sem_op = -1;mysembuf.sem_flg = 0;semop(semid, &mysembuf, 1);释放资源 V操作:mysembuf.sem_num = 0;mysembuf.sem_op = 1;mysembuf.sem_flg = 0;semop(semid, &mysembuf, 1);
3.信号灯集合的控制(初始化/删除)
int semctl ( int semid, int semnum, int cmd…/*union semun arg*/);功能:信号灯集合的控制(初始化/删除)参数:semid:信号灯集IDsemnum: 要操作的集合中的信号灯编号cmd:GETVAL:获取信号灯的值,返回值是获得值SETVAL:设置信号灯的值(资源量),需要用到第四个参数:共用体IPC_RMID:从系统中删除信号灯集合返回值:成功 0失败 -1用法:初始化:union semun{int val;}mysemun;mysemun.val = 10;semctl(semid, 0, SETVAL, mysemun); 获取信号灯值:函数semctl(semid, 0, GETVAL)的返回值删除信号灯集:semctl(semid, 0, IPC_RMID);查看信号灯集的命令:ipcs -s删除信号灯集的命令:ipcrm -s [semid]
举个栗子
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <errno.h>
union semval {int val;
};int main(int argc, const char *argv[])
{key_t key;key = ftok("./a.txt", 'A');if (key < 0){perror("ftok err.");return -1;}printf("key=%#x\n", key);int semid = semget(key, 2, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (semid < 0){if (errno == EEXIST){semid = semget(key, 2, 0666);}else{perror("semget err.");return -1;}}else {//灯有两个:编号0 1union semval value;value.val = 5;semctl(semid, 0, SETVAL, value);value.val = 10;semctl(semid, 1, SETVAL, value);}//申请资源 pstruct sembuf op;op.sem_num = 0; //0号灯op.sem_op = -1; //申请op.sem_flg = 0; //阻塞semop(semid, &op, 1);op.sem_num = 1; //1号灯op.sem_op = -1; //申请op.sem_flg = 0; //阻塞semop(semid, &op, 1);printf("0:%d 1:%d\n", semctl(semid, 0, GETVAL),semctl(semid, 1, GETVAL));//获取剩余的资源量return 0;
}
消息队列
特点:
消息队列是IPC对象的一种
消息队列由消息队列ID来唯一标识
消息队列就是一个消息的列表。用户可以在消息队列中添加消息、读取消息等。
消息队列可以按照类型来发送/接收消息
步骤:
(1)产生key值ftok
(2)创建或打开消息队列
(3)添加消息:按照类型把消息添加到已打开的消息队列末尾
(4)读取消息:可以按照类型把消息从消息队列中取走
(5)删除消息队列
函数:
1.创建或打开消息队列
int msgget(key_t key, int flag);
功能:创建或打开一个消息队列
参数: key值flag:创建消息队列的权限IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666
返回值:成功:msgid失败:-1
2.添加消息
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t size, int flag);
功能:添加消息
参数:msqid:消息队列的IDmsgp:指向消息的指针。常用消息结构msgbuf如下:struct msgbuf{long mtype; //消息类型char mtext[N];}; //消息正文size:发送的消息正文的字节数flag:IPC_NOWAIT消息没有发送完成函数也会立即返回 0:直到发送完成函数才返回
返回值:成功:0失败:-1
使用:msgsnd(msgid, &msg,sizeof(msg)-sizeof(long), 0)
注意:消息结构除了第一个成员必须为long类型外,其他成员可以根据应用的需求自行定义。
3.读取消息
int msgrcv(int msgid, void* msgp, size_t size, long msgtype, int flag);功能:读取消息参数:msgid:消息队列的IDmsgp:存放读取消息的空间size:接受的消息正文的字节数msgtype:0:接收消息队列中第一个消息。大于0:接收消息队列中第一个类型为msgtyp的消息.小于0:接收消息队列中类型值不小于msgtyp的绝对值且类型值又最小的消息。flag:0:若无消息函数会一直阻塞IPC_NOWAIT:若没有消 息,进程会立即返回ENOMSG返回值:成功:接收到的消息的长度失败:-1
4.删除消息队列
int msgctl ( int msgqid, int cmd, struct msqid_ds *buf );功能:对消息队列的操作,删除消息队列参数:msqid:消息队列的队列IDcmd:IPC_STAT:读取消息队列的属性,并将其保存在buf指向的缓冲区中。IPC_SET:设置消息队列的属性。这个值取自buf参数。IPC_RMID:从系统中删除消息队列。buf:消息队列缓冲区返回值:成功:0失败:-1用法:msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL)
举个栗子
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <errno.h>
struct msgbuf
{long mtype;char mtext[128];
};
int main(int argc, char const *argv[])
{key_t key = ftok("./a.txt", 'A');if (key < 0)perror("ftok err.");int msgid = msgget(key, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (msgid < 0){if (errno == EEXIST)msgid = msgget(key, 0666);elseperror("msgget err.");}struct msgbuf msg = {'A', "hello world"};msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg), 0);struct msgbuf msg1 = {'B', "welcome to JiaYu学长"};msgsnd(msgid, &msg1, sizeof(msg1), 0);msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg), 'A', 0);printf("type:%ld text:%s\n", msg.mtype, msg.mtext);msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg), 'B', 0);printf("type:%ld text:%s\n", msg.mtype, msg.mtext);return 0;
}