前言
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）。
@CHBQHWF[3IIX]JVI{B0WT6.png
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：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。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：
① 管道 (使用最简单)
② 信号 (开销最小)
③ 共享映射区 (无血缘关系)
④ 本地套接字 (最稳定)
管道
管道的概念：
管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：
- 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
- 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
- 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。
管道的局限性：
① 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
② 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
③ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。
常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。
PIPE通信
创建管道
int pipe(int pipefd[2]);
- pipefd 读写文件描述符 ，0-代表读，1-代表写
- 返回值：失败返回-1，成功返回0
- 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。
- 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
- 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。
管道的读写行为
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）：
- 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。
- 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。
- 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。
- 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。
总结：
① 读管道： 1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。
2. 管道中无数据：
(1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)
(2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)
② 写管道： 1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)
2. 管道读端没有全部关闭：
(1) 管道已满，write阻塞。
(2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。
pipe管道的优劣
优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。
缺点：
- 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
- 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。
例子
/*************************************************************************
> File Name: pipe.c
> Author: fujie
> Mail: 1243596620@qq.com
> Created Time: 2020年09月03日 星期四 09时52分40秒
************************************************************************/
#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
int main(){
int fd[2];
pipe(fd);
pid_t pid = fork();
if(pid==0){
//子进程
sleep(3);
//关闭读端
close(fd[0]);
write(fd[1],"hello",5);
close(fd[1]);
while(1){
sleep(1);
}
}else if(pid>0){
//父进程
close(fd[1]);
//close(fd[0]);
char buf[12] = {0};
while(1){
sleep(3);
int ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
if(ret == 0){
printf("read end~\n");
}else{
printf("%s",buf);
}
}
}
}
FIFO
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。
FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但，FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。
创建方式：
- 命令：mkfifo 管道名
- 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。
【fifo_w.c/fifo_r.c】
例子
这里演示没有血缘关系的进程fifo通信
首先创建管道，这里为了方便我使用命令创建
mkfifo shark
编写写入的进程
/*************************************************************************
> File Name: fifo_w.c
> Author: fujie
> Mail: 1243596620@qq.com
> Created Time: 2020年09月03日 星期四 10时25分28秒
************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main(int argc,char * argv[]){
if(argc!=2){
printf("请输入fifo名称\n");
return -1;
}
int fd = open(argv[1],O_WRONLY);
if(fd==-1){
printf("open error\n");
return -1;
}
char buf[256];
int num = 1;
while(1){
memset(buf,0,sizeof(buf));
sprintf(buf,"fifo IPC%d",num++);
write(fd,buf,strlen(buf));
sleep(1);
}
close(fd);
return 0;
}
编写读取的进程
/*************************************************************************
> File Name: fifo_r.c
> Author: fujie
> Mail: 1243596620@qq.com
> Created Time: 2020年09月03日 星期四 10时25分38秒
************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main(int argc,char * argv[]){
if(argc!=2){
printf("缺少参数\n");
return -1;
}
int fd = open(argv[1],O_RDONLY);
if(fd==-1){
printf("open error\n");
return -1;
}
char buf[256];
int ret;
while(1){
memset(buf,0,sizeof(buf));
ret = read(fd,buf,sizeof(buf));
if(ret > 0){
printf("read data is :%s\n",buf);
}
}
close(fd);
return 0;
}
存储映射I/O
存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。
使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。
`S$HC9}L37%`T)X~R}FAN8S.png
mmap函数
void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
返回：成功：返回创建的映射区首地址；失败：MAP_FAILED宏
参数：
addr: 建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL
length： 欲创建映射区的大小
prot： 映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
flags： 标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)
MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。
MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。
fd： 用来建立映射区的文件描述符
offset： 映射文件的偏移(4k的整数倍)
munmap函数
int munmap(void *addr, size_t length);
同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。
返回：成功：0； 失败：-1
总结：使用mmap时务必注意以下事项：
- 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
- 当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
- 映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。
- 特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！ mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
- munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
- 文件偏移量必须为4K的整数倍
- mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作
mmap父子进程通信
父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：
MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区；
MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区；
结论：父子进程共享：1. 打开的文件 2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)
例子
/*************************************************************************
> File Name: mmap_child.c
> Author: fujie
> Mail: 1243596620@qq.com
> Created Time: 2020年09月03日 星期四 15时46分48秒
************************************************************************/
#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>
int main(){
int fd = open("mem.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);
int * mem = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
//扩大文件
ftruncate(fd,1024);
if(mem == MAP_FAILED){
perror("mmap err");
return -1;
}
pid_t pid = fork();
int num = 100;
if(pid==0){
//子进程修改数据
while(1){
*mem = num++;
sleep(2);
}
}else if(pid>0){
//父进程读取数据
while(1){
sleep(2);
printf("parent,*mem=%d\n",*mem);
}
wait(NULL);
}
munmap(mem,4);
close(fd);
return 0;
}
image.png
匿名映射
通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。 可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。
使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)， 如:
int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
"4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。
mmap无血缘关系进程间通信
实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。
网友评论