进程间通信

Linux中的进程间通信主要有：管道、FIFO、消息队列、信号量、共享存储以及网络IPC中的套接字。

1.管道

管道是最古老的IPC，有以下两种限制：

• 半双工
• 只能在具有公共祖先的两个进程间使用

管道通过pipe函数创建：

#include<unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
/* 返回值：成功返回0，失败返回-1*/

fd返回两个文件描述符：fd[0]为读打开，fd[1]为写打开。fd[1]的输出是fd[0]的输入。其关系可以用下图描述：

pipe

而对于进程间的pipe关系为：

进程间pipe

对于管道一端被关闭后，下列两条规则适用：

• 当读一个写端被关闭的管道时，所有数据都被读取后，read返回0，表示文件结束。
• 当写一个读端被关闭的管道，则产生信号SIGPIPE。如果忽略该信号或者捕捉该信号并从其处理程序返回，则write返回-1，errno设置为EPIPE。

下面通过实例程序演示，创建一个从父进程到子进程的管道，并且父进程经由该管道向子进程传送数据。

#include "apue.h"

int
main(void)
{
    int     n;
    int     fd[2];
    pid_t   pid;
    char    line[MAXLINE];

    if (pipe(fd) < 0)
        err_sys("pipe error");
    if ((pid = fork()) < 0) {
        err_sys("fork error");
    } else if (pid > 0) {       /* parent */
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "hello world\n", 12);
    } else {                    /* child */
        close(fd[1]);
        n = read(fd[0], line, MAXLINE);
        write(STDOUT_FILENO, line, n);
    }
    exit(0);
}

2.函数popen和pclose

标准I/O库提供了两个函数popen和pclose用于实现：创建一个管道，fork一个子进程，关闭未使用的管道端，执行一个shell运行命令，然后等待命令终止。

#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);
/* 返回值：成功返回文件指针，失败返回NULL */
int pclose(FILE *fp);
/* 返回值：成功返回cmdstring的终止状态，失败返回-1 */

函数popen先执行fork，然后调用exec执行cmdstring，返回一个标准I/O文件指针。如果type是“r”，则文件指针连接到cmdstring的标准输出；如果type是“w”，则文件指针连接到cmdstring的标准输入。

popenRead

<center>read</center>

popenWrite
<center>write</center>
shell会自动扩展cmdstring的语句，因此popen正常可以如下使用：

fp = popen("ls *.c", "r");

利用这两个函数可以减少代码量。

3.FIFO

FIFO又被称为命名管道，与PIPE不同，FIFO可以用于不相关的进程间通信。创建FIFO的方法与创建文件类似，因为FIFO也是一种文件类型，FIFO的路径名存在于文件系统中。

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);
int mkfifoat(int fd, const char *path, mode_t mode);
/* 返回值：成功返回0，失败返回-1 */

mkfifo中mode和open的mode相同。mkfifoat可以用来在fd文件描述符指定的位置创建FIFO。

FIFO可以由多个写进程，通常有以下两种用途：

• shell命令使用FIFO将数据从一条管道传送到另一条时，无需创建中间临时文件
• 客户进程-服务器进程应用程序中，FIFO用作汇聚点，在二者之间传递数据。

4.消息队列

消息队列是消息的连接表，存储在内核中，由消息队列标识符标识。msgget用于创建一个新队列或者打开一个现有队列。msgsnd将新消息添加到队列尾端。msgrcv用于从队列中取消息。

每个队列都有一个msgid_ds结构与其关联：

struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;   /* ipc限制 */
    msgqnum_t   msg_qnum;       /* 队列中消息数 */
    msglen_t    msg_qbytes;     /* 队列最大字节数 */
    pid_t       msg_lsPID;      /* 最后添加消息的pid */
    pid_t       msg_lrpid;      /* 最后取消息的pid */
    time_t      msg_stime;      /* 最后添加消息的时间 */
    time_t      msg_rtime;      /* 最后取消息的时间 */
    time_t      msg_ctime;      /* 最后change的时间 */
    ...
    };

5.信号量

信号量与前面的IPC不同，它是一个计数器，用于为多个进程提供对共享数据对象的访问。

为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：

1. 测试控制该资源的信号量
2. 若此信号量为正，则进程可以使用该资源，在该情况下，进程将信号量值减一，表示它占用了一个资源单元
3. 否则，若此信号量为0，则进程进入休眠状态，直到信号量大于0，进程被唤醒，返回至步骤1.

信号量的由一个无名数据结构表示，至少包含下列成员：

struct{
    unsigned short  semval; /* 信号量的值 */
    pid_t           sempid; /* 最后一次操作的pid */
    unsigned short  semncnt;/* 等待信号量大于0的进程数量 */
    unsigned short  semzcnt;/* 等待信号量等于0的进程数量 */
    ...
    }；

6.共享存储

共享存储允许两个或多个进程共享一个给定的存储区。因为数据不需要在进程间复制，因此这是最快的IPC。对于共享存储需要注意的就是对多个进程访问存储区的同步。

内核为每个共享存储段维护这一个结构，该结构至少要为每个共享存储段包含以下成员：

struct shmid_ds{
    struct ipc_perm shm_perm;   /* ipc限制 */
    size_t          shm_segsz;  /* 字节数表示的段大小 */
    pid_t           shm_lpid;   /* 最后shmop()的pid */
    pid_t           shm_cpid;   /* creator 的pid */
    shmatt_t        shm_nattch; /* 当前attached的进程数量 */
    time_t          shm_atime;  /* 最后attach的时间 */
    time_t          shm_dtime;  /* 最后dattach的时间 */
    time_t          shm_ctime;  /* 最后改变的时间 */
    ...
};