IPC（進程間通信）詳解

Linux環境下，進程地址空間相互獨立，每個進程各自有不同的用戶地址空間。任何一個進程的全局變量在另一個進程中都看不到，所以進程和進程之間不能相互訪問，要交換數據bi必須通過內核，在內核中開闢一塊緩衝區，進程1把數據從用戶空間放至內核緩衝區，進程2再從內核緩衝區把數據讀走，內核提供的這種機制稱爲進程間通信（IPC InterProcess Communication）

在進程間完成數據傳遞需要藉助操作系統提供的特殊方法，如：文件（因爲兩個進程共享打開的文件描述符，即虛擬地址空間內核態中的PCB映射到物理地址空間中的同一塊地方）、管道、信號、共享內存、消息隊列、套接字、命名管道等，有些方法已經被淘汰，現在常用的進程間通信方法有：
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1.管道（使用最簡單）
2.信號（開銷最小）
3.共享映射區MMAP（無血緣關係的IPC）
4.本地套接字（最穩定）
**

管道

作用於有血緣關係的進程間通信，調用pipe函數即可創建一個管道，並且打開了讀端和寫端的文件描述符，並且通過函數的傳入參數返回打開的文件描述符。

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2])

// 成功返回0，失敗返回-1

管道的特質：
a）本質是一個僞文件（Linux中7中文件類型之一，實質爲內核緩衝區）
b）由兩個文件描述符引用，一個表示讀端，一個表示寫端。
c）規定數據從管道的寫端流入，讀端流出
管道的原理：管道實質爲內核使用環形隊列機制，藉助內核緩衝區（4KB，可以用ulimit -a命令查看，結果是 pipe size 512 bytes 8 ，其中，512代表一個扇區的大小，8表示用了8個扇區，所以是4KB，大小可調節）實現。
管道的侷限性：
a）數據能自己讀不能自己寫
b）數據一旦被讀走，便不存在於管道中
c）由於管道採用雙向半雙工通信方式（數據的流動方向是單向的稱之爲半雙工，雙向半雙工是指數可以從A端讀B端寫也可以從B端讀A端寫，雙向全雙工，即兩端都可讀可寫，比如電話通話，只讀不寫或者只寫不讀稱爲單工通信，如BB機），因此，數據只能在一個方向上流動
d）只能在有公共祖先的進程間使用pipe
對於無血緣關係的進程，可以使用FIFO實現通信，也是管道的一種
代碼實現：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main(void){
    int fd[2];//作爲傳入參數，接收文件描述符
    pid_t pid;
    
    int ret = pipe(fd);
    if(-1 == ret){
        perror("pipe error:");
        exit(1);
    }
    pid = fork();
    if(-1 == pid){
        perror("fork error:");
        exit(1);
    }else if(0 == pid){//子進程 讀數據
        //由於此時子進程掌握着管道的讀寫兩端，因此需要關閉寫端保障單>向通信
        //認爲規定,fd[0]爲讀端，fd[1]爲寫端
        close(fd[1]);
        char buf[1024];
        ret = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
        if(0 == ret){
            printf("waitting write-----\n");
        }
        write(STDOUT_FILENO,buf,ret);
    }else{
        close(fd[0]);
        write(fd[1],"hello pipe\n",strlen("hello pipe\n"));
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

共享內存

mmap函數，用於父子進程有血緣關係的IPC，作用是把磁盤上的文件映射到內存中，完成內存和磁盤文件間的一致性，也可用於父子進程間通信。

參數：
addr：建立映射區的首地址，有Linux內核指定，一般爲NULL
length：欲創建映射區的大小
port：映射區權限PROT_READ PROT_WRITE PROT_READ|PORT_WRITE
flags：標誌位參數，值爲MAP_SHARED時，會將映射區所做的操作反映到物理設備（磁盤）上，值爲MAP_PRIVATE時，不會將映射區所做的操作反映到物理設備（磁盤）上
fd：用來建立映射區的文件描述符
offset：映射文件的偏移（4K的整數倍，即會將映射區所做的操作反映到物理設備（磁盤）上）
返回值：成功返回映射區首地址，失敗返回MAP_FAILD宏

mmap創建映射區實例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>

int main(void){
    int len,ret;
    int fd = open("mytest.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
    char *p = NULL;
    if(fd < 0){
        perror("open error:");
        exit(1);
    }
    if(-1 == len){
        perror("ftruncate error:");
    }
    p = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap error:");
        exit(1);
    }
    strcpy(p,"abc");//向共享內存中寫數據
    close(fd);
    ret = munmap(p,4);
    if(-1 == ret){
        perror("munmap error:");
    }
    return 0;
}

mmap實現父子進程共享實例

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>

int var = 100;

int main(void){
    int *p;
    pid_t pid;
    int fd;

    fd = open("temp",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644);
    if(fd < 0){
        perror("open error:");
        exit(1);
    }
    unlink("temp"); //刪除臨時文件的目錄項，使之具備被釋放的條件
    ftruncate(fd,4);

    p = (int *)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    close(fd); //映射區建立完畢，即可關閉文件

    pid = fork();
    if(pid < 0){
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else if(0 == pid){
        *p = 2000;
        var = 1000;
        printf("child,*p = %d, var = %d\n",*p, var);
    }else{
        sleep(1);
        printf("parent,*p = %d,var = %d\n",*p, var);
        wait(NULL);

        int ret = munmap(p,4); //釋放映射區
        if(-1 == ret){
            perror("munmap error：");
            exit(1);
        }
    }
    return 0;
}

p = (int *)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);語句中，將倒數第三個參數設置爲MAP_PRIVATE，因此父子進程獨佔各自的映射區，子進程將映射區的值改爲2000，父進程的p值不變。如果把倒數第二個參數改爲MAP_SHARED，才能完成父子進程間通信，結果如下

其中，兩個結果的父進程var值爲100，子進程var值爲1000，因爲父子進程共享文件描述符和mmap映射區，0到3G的虛擬地址中的用戶態爲讀時共享寫時複製。因此全局變量var在父子進程中各自不影響。
可以發現上面代碼中的temp文件很雞肋，只是用作創建映射區的時候用一下，然後立刻就釋放了，爲了解決這一問題，便出現了匿名映射

匿名映射

解決了創建映射區必須依賴一個文件纔可以實現的雞肋問題。
int *p = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);
4可以根據實際大小改變

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>

int var = 100;

int main(void){
    int *p;
    pid_t pid;

    p = (int *)mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0);
    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if(pid < 0){
        perror("fork error");
        exit(1);
    }else if(0 == pid){
        *p = 2000;
        var = 1000;
        printf("child,*p = %d, var = %d\n",*p, var);
    }else{
        sleep(1);
        printf("parent,*p = %d,var = %d\n",*p, var);
        wait(NULL);

        int ret = munmap(p,4); //釋放映射區
        if(-1 == ret){
            perror("munmap error：");
            exit(1);
        }
    }
    return 0;
}