Linux C/C++編程之（十七）進程間通信

文章目錄

3. 練習

一、概述

二、進程間通信概念及方法

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把數據從用戶空間拷到內核緩衝區，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特殊的方法，如：文件、管道、信號、共享內存、消息隊列、套接字、命名管道等。隨着計算機的蓬勃發展，一些方法由於自身設計缺陷被淘汰或者棄用。

現今常用的進程間通信方式有：
1）管道 (使用最簡單)
2）信號 (開銷最小)
3）共享映射區 (無血緣關係)
4）本地套接字 (最穩定)

進程間通信方法介紹

1. 管道的概念

管道是一種最基本的IPC機制，作用於 有血緣關係的進程之間，完成數據傳遞。調用pipe系統函數即可創建一個管道。

有如下特質：
1）其本質是一個僞文件(實爲內核緩衝區)
2）由兩個文件描述符引用，一個表示讀端，一個表示寫端。
3）規定數據從管道的寫端流入管道，從讀端流出。

管道的原理: 管道實爲內核使用環形隊列機制，藉助內核緩衝區(4k)實現。

管道的侷限性：
1）數據一旦被讀走，便不在管道中存在，不可反覆讀取。
2）由於管道採用半雙工通信方式。因此，數據只能在一個方向上流動。
3）只能在有公共祖先的進程間使用管道。

常見的通信方式有，單工通信、半雙工通信、全雙工通信。

2. pipe

創建管道 int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失敗：-1，設置errno

函數調用成功，返回r/w兩個文件描述符。無需open，但需手動close。

規定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0對應標準輸入，1對應標準輸出一樣。

向管道文件讀寫數據其實是在讀寫內核緩衝區。管道創建成功以後，創建該管道的進程（父進程）同時掌握着管道的讀端和寫端。

如何實現父子進程間通信呢？

通常可以採用如下步驟：

1）父進程調用pipe函數創建管道，得到兩個文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的讀端和寫端。
2）父進程調用fork創建子進程，那麼子進程也有兩個文件描述符指向同一管道。
3）父進程關閉管道讀端，子進程關閉管道寫端。父進程可以向管道中寫入數據，子進程將管道中的數據讀出。由於管道是利用環形隊列實現的，數據從寫端流入管道，從讀端流出，這樣就實現了進程間通信。

練習：父子進程使用管道通信，父寫入字符串，子進程讀出並打印到屏幕？

3. 管道的讀寫行爲

使用管道需要注意以下4種特殊情況（假設都是阻塞I/O操作，沒有設置O_NONBLOCK標誌）：

1）如果所有指向管道寫端的文件描述符都關閉了（管道寫端引用計數爲0），而仍然有進程從管道的讀端讀數據，那麼管道中剩餘的數據都被讀取後，再次read會返回0，就像讀到文件末尾一樣。
2）如果有指向管道寫端的文件描述符沒關閉（管道寫端引用計數大於0），而持有管道寫端的進程也沒有向管道中寫數據，這時有進程從管道讀端讀數據，那麼管道中剩餘的數據都被讀取後，再次read會阻塞，直到管道中有數據可讀了纔讀取數據並返回。
3）如果所有指向管道讀端的文件描述符都關閉了（管道讀端引用計數爲0），這時有進程向管道的寫端write，那麼該進程會收到信號SIGPIPE，通常會導致進程異常終止。當然也可以對SIGPIPE信號實施捕捉，不終止進程。具體方法信號章節詳細介紹。
4）如果有指向管道讀端的文件描述符沒關閉（管道讀端引用計數大於0），而持有管道讀端的進程也沒有從管道中讀數據，這時有進程向管道寫端寫數據，那麼在管道被寫滿時再次write會阻塞，直到管道中有空位置了才寫入數據並返回。

總結：
1）讀管道：

管道中有數據，read返回實際讀到的字節數。
管道中無數據：
(1) 管道寫端被全部關閉，read返回0 (好像讀到文件結尾)
(2) 寫端沒有全部被關閉，read阻塞等待(不久的將來可能有數據遞達，此時會讓出cpu)

2）寫管道：

管道讀端全部被關閉，進程異常終止(也可使用捕捉SIGPIPE信號，使進程不終止)
管道讀端沒有全部關閉：
(1) 管道已滿，write阻塞。
(2) 管道未滿，write將數據寫入，並返回實際寫入的字節數。

練習1：使用管道實現父子進程間通信，完成：ls | wc -l。假定父進程實現ls，子進程實現wc？
注意：

ls命令正常會將結果集寫出到stdout，但現在會寫入管道的寫端；

wc -l 正常應該從stdin讀取數據，但此時會從管道的讀端讀。

實現父進程ls 子進程wc -l

父子進程實現ps aux | grep bash

練習2：使用管道實現兄弟進程間通信。兄：ls 弟： wc -l 父：等待回收子進程？要求，使用“循環創建N個子進程”模型創建兄弟進程，使用循環因子i標示。
注意管道讀寫行爲。
實現思路：父進程關閉讀寫端，兩個子進程，一個關閉管道的讀端去寫，一個關閉管道的寫端去讀。

兄弟進程間實現ls | wc -l

兄弟進程實現ps aux | grep bash

測試：是否允許，一個pipe有一個寫端多個讀端呢？是否允許有一個讀端多個寫端呢？

一寫多讀
結論：一個讀多個寫會hang住。
多寫一讀
結論：一個寫多個讀會hang住。

4. 管道緩衝區大小

可以使用ulimit -a 命令來查看當前系統中創建管道文件所對應的內核緩衝區大小。

通常爲：

也可以使用fpathconf函數，藉助參數選項來查看。

5. 管道優劣

優點：簡單，相比信號，套接字實現進程間通信，簡單很多。
缺點：
1. 只能單向通信，雙向通信需建立兩個管道。
2. 只能用於父子、兄弟進程(有共同祖先)間通信，該問題後來使用fifo有名管道解決。

6. FIFO

FIFO常被稱爲有名管道，以區分管道(pipe)。

管道(pipe)只能用於“有血緣關係”的進程間。
但通過FIFO，不相關的進程也能交換數據。

FIFO是Linux基礎文件類型中的一種。但FIFO文件在磁盤上沒有數據塊，僅僅用來標識內核中一條通道。各進程可以打開這個文件進行read/write，實際上是在讀寫內核通道，這樣就實現了進程間通信。

創建方式：

命令：mkfifo 管道名
庫函數：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0；失敗：-1

一旦使用mkfifo創建了一個FIFO，就可以使用open打開它，常見的文件I/O函數都可用於fifo，如：close、read、write、unlink等。

fifo_w.c

fifo_r.c

注意：
Opening the read or write end of a FIFO blocks until the other end is also opened (by another process or thread). See fifo(7) for further details.
open注意事項，打開fifo文件的時候，read端會阻塞等待write端open，write端同理，也會阻塞等待另外一端打開。

7. 共享存儲映射

（1）文件進程間通信

使用文件也可以完成IPC，理論依據是，fork後，父子進程共享文件描述符，也就共享打開的文件。

（2）存儲映射IO

存儲映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一個磁盤文件與存儲空間中的一個緩衝區相映射。於是當從緩衝區中取數據，就相當於讀文件中的相應字節。於此類似，將數據存入緩衝區，則相應的字節就自動寫入文件。這樣，就可在不適用read和write函數的情況下，使用地址（指針）完成I/O操作。

使用這種方法，首先應通知內核，將一個指定文件映射到存儲區域中。這個映射工作可以通過mmap函數來實現。

8. mmap函數

成功：返回創建的映射區首地址；
失敗：MAP_FAILED宏

參數：

addr：建立映射區的首地址，由Linux內核指定。使用時，直接傳遞NULL
length：欲創建映射區的大小
prot：映射區權限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
flags：標誌位參數(常用於設定更新物理區域、設置共享、創建匿名映射區)
MAP_SHARED: 會將映射區所做的操作反映到物理設備（磁盤）上。
MAP_PRIVATE: 映射區所做的修改不會反映到物理設備。
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)

9. munmap函數

同malloc函數申請內存空間類似的，mmap建立的映射區在使用結束後也應調用類似free的函數來釋放。

執行結果：

執行map.c之前，mem.txt大小爲30，代碼中 ftruncate(fd,8); 將文件截斷爲8個字節大小，共享映射爲20個字節，雖然文件大小（8） < 映射區大小（20），映射區可以存儲helloworld（10），同時修改文件mem.txt內容。

借鑑malloc和free函數原型，嘗試裝自定義函數smalloc，sfree來完成映射區的建立和釋放。思考函數接口該如何設計？

10. mmap九問

如果更改mem變量的地址，釋放的時候munmap，傳入mem還能成功嗎？不能！！
如果對mem越界操作會怎麼樣？文件的大小對映射區操作有影響，儘量避免。
如果文件偏移量隨便填個數會怎麼樣？ offset必須是4k的整數倍。
如果文件描述符先關閉，對mmap映射有沒有影響？沒有影響。
open的時候，可以新創建一個文件來創建映射區嗎？不可以用大小爲0的文件。
open文件選擇O_WRONLY，可以嗎？不可以： Permission denied。
當選擇MAP_SHARED的時候，open文件選擇O_RDONLY，prot可以選擇PROT_READ|PROT_WRITE嗎？Permission denied ，SHARED的時候，映射區的權限 <= open文件的權限。
mmap什麼情況下會報錯？很多情況。
如果不判斷返回值會怎麼樣？會死的很難堪！！

總結：使用mmap時務必注意以下事項：

創建映射區的過程中，隱含着一次對映射文件的讀操作。
當MAP_SHARED時，要求：映射區的權限應 <=文件打開的權限(出於對映射區的保護)。而MAP_PRIVATE則無所謂，因爲mmap中的權限是對內存的限制。
映射區的釋放與文件關閉無關。只要映射建立成功，文件可以立即關閉。
特別注意，當映射文件大小爲0時，不能創建映射區。所以：用於映射的文件必須要有實際大小！！ mmap使用時常常會出現總線錯誤，通常是由於共享文件存儲空間大小引起的。
munmap傳入的地址一定是mmap的返回地址。堅決杜絕指針++操作
文件偏移量必須爲4K的整數倍
mmap創建映射區出錯概率非常高，一定要檢查返回值，確保映射區建立成功再進行後續操作。

11. mmap父子進程間通信

父子等有血緣關係的進程之間也可以通過mmap建立的映射區來完成數據通信。但相應的要在創建映射區的時候指定對應的標誌位參數flags：

MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子進程各自獨佔映射區；
MAP_SHARED: (共享映射) 父子進程共享映射區；

練習：父進程創建映射區，然後fork子進程，子進程修改映射區內容，而後，父進程讀取映射區內容，查驗是否共享。

結論：

父子進程共享：1. 打開的文件 2. mmap建立的映射區(但必須要使用MAP_SHARED)

12. 匿名映射

通過使用我們發現，使用映射區來完成文件讀寫操作十分方便，父子進程間通信也較容易。但缺陷是，每次創建映射區一定要依賴一個文件才能實現。通常爲了建立映射區要open一個temp文件，創建好了再unlink、close掉，比較麻煩。

可以直接使用匿名映射來代替。其實Linux系統給我們提供了創建匿名映射區的方法，無需依賴一個文件即可創建映射區。同樣需要藉助標誌位參數flags來指定。

使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)，如:

int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON這兩個宏是Linux操作系統特有的宏。在類Unix系統中如無該宏定義，可使用如下兩步來完成匿名映射區的建立。

1）fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
2）p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);

13. mmap無血緣關係進程間通信

實質上mmap是內核藉助文件幫我們創建了一個映射區，多個進程之間利用該映射區完成數據傳遞。由於內核空間多進程共享，因此無血緣關係的進程間也可以使用mmap來完成通信。只要設置相應的標誌位參數flags即可。若想實現共享，當然應該使用MAP_SHARED了。

mmap_w.c

mmap_r.c

3. 練習

通過命名管道傳輸數據，進程A和進程B，進程A將一個文件發送給進程B？

file2fifo.c

fifo2file.c

實現多進程拷貝文件？

1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <sys/types.h>
4 #include <fcntl.h>
5 #include <sys/mman.h>
6 #include <stdlib.h>
7 #include <string.h>
8 #include <sys/stat.h>
9 #include <wait.h>
10 int main(int argc, char *argv[])
11 {
12     //拷貝文件起的進程數，通過參數輸入，默認是5個
13     int n = 5;
14     //輸入參數至少是3，第4個參數是進程個數
15     if (argc < 3)
16     {
17         printf("./a.out src dst [n]\n");
18         return -1;
19     }
20     if (argc == 4)
21     {
22         n = atoi(argv[3]);
23     }
24 
25     //打開源文件
26     int srcfd = open(argv[1], O_RDONLY);
27     if (srcfd < 0)
28     {
29         perror("open src err:");
30         exit(1);
31     }
32 
33     //打開目標文件
34     int dstfd = open(argv[2], O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
35     if (dstfd < 0)
36     {
37         perror("open dst err:");
38         exit(1);
39     }
40 
41     //目標拓展，從源文件獲得文件大小，stat
42     struct stat sb;
43     stat(argv[1], &sb);
44     //將目標文件設置爲和源文件大小相同
45     int len = sb.st_size;
46     truncate(argv[2], len);
47 
48     //將源文件映射到緩衝區
49     char *psrc = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, srcfd, 0);
50     if (psrc == MAP_FAILED)
51     {
52         perror("mmap src err:");
53         exit(1);
54     }
55 
56     //將目標文件映射
57     char *pdst = mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, 
						MAP_SHARED, dstfd, 0);
58     if (pdst == MAP_FAILED)
59     {
60         perror("mmap pdst err:");
61         exit(1);
62     }
63     //創建多個子進程
64     int i = 0;
65     for (i = 0; i < n; i++)
66     {
67         if (fork() == 0)
68         {
69             break;
70         }
71     }
72     //計算子進程需要拷貝的起點大小
73     int cpsize = len/n;
74     int mod = len%n;
75     //數據拷貝，memcpy
76     if (i < n)
77     {
78         //最後一個子進程
79         if (i == n-1)
80         {
81             memcpy(pdst+i*cpsize, psrc+i*cpsize, cpsize+mod);
82         }
83         else 
84         {
85             memcpy(pdst+i*cpsize, psrc+i*cpsize, cpsize);
86         }
87     }
88     else
89     {
90         for (i = 0; i < n; i++)
91         {
92             //回收子線程
93             wait(NULL);
94         }
95     }
96     //釋放映射區
97     if (munmap(psrc, len) < 0)
98     {
99         perror("munmap src err:");
100         exit(1);
101     }
102 
103     if (munmap(pdst, len) < 0)
104     {
105         perror("munmap dst err:");
106         exit(1);
107     }
108 
109     //關閉文件
110     close(srcfd);
111     close(dstfd);
112     
113     return 0;
114 }

Linux C/C++編程之（十七）進程間通信

文章目錄

一、概述

二、進程間通信概念及方法

1. 管道的概念

2. pipe

3. 管道的讀寫行爲

4. 管道緩衝區大小

5. 管道優劣

6. FIFO

7. 共享存儲映射

8. mmap函數

9. munmap函數

10. mmap九問

11. mmap父子進程間通信

12. 匿名映射

13. mmap無血緣關係進程間通信

3. 練習

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Linux C/C++編程之（十七）進程間通信

Linux C/C++編程之（十六）進程及進程控制

Linux C/C++編程之（十五）目錄操作相關函數

Linux C/C++編程之（十四）文件操作相關函數

Linux C/C++編程之（十一）gdb調試

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