Linux C/C++编程之（十七）进程间通信

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-02-23 07:45 10阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、概述
     *  二、进程间通信概念及方法
     *   *  1. 管道的概念
         *  2. pipe
         *  3. 管道的读写行为
         *  4. 管道缓冲区大小
         *  5. 管道优劣
         *  6. FIFO
         *  7. 共享存储映射
         *  8. mmap函数
         *  9. munmap函数
         *  10. mmap九问
         *  11. mmap父子进程间通信
         *  12. 匿名映射
         *  13. mmap无血缘关系进程间通信
     *  3. 练习

## 一、概述 ##

![在这里插入图片描述][20200707151802329.png]

## 二、进程间通信概念及方法 ##

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）**。  
![在这里插入图片描述][20200707152515787.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)

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进程间通信方法介绍

### 1. 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：  
1） 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)  
2）由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。  
3） 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。

### 2. pipe ###

创建管道 `int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失败：-1，设置errno`

函数调用成功，返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。

**规定**：fd\[0\] → r； fd\[1\] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。

向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。

**如何实现父子进程间通信呢？**

通常可以采用如下步骤：  
![在这里插入图片描述][20200707153712343.png]

1）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。  
2）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。  
3）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。

> 练习：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并打印到屏幕？  
> ![在这里插入图片描述][20200707155216187.png]  
> ![在这里插入图片描述][20200707155139273.png]

### 3. 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）：

1）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。  
2） 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。  
3）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。  
4）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。

> 练习1：使用管道实现父子进程间通信，完成：`ls | wc -l`。假定父进程实现ls，子进程实现wc？  
> 注意：
> 
>  *  ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；
>  *  wc -l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。

**实现父进程ls 子进程wc -l**  
![在这里插入图片描述][20200707170850367.png]  
![在这里插入图片描述][20200707170551675.png]

**父子进程实现ps aux | grep bash**  
![在这里插入图片描述][20200707171627455.png]  
![在这里插入图片描述][2020070717050651.png]

> 练习2：使用管道实现兄弟进程间通信。 兄：ls 弟： wc -l 父：等待回收子进程？要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。  
> 注意管道读写行为。  
> 实现思路：父进程关闭读写端，两个子进程，一个关闭管道的读端去写，一个关闭管道的写端去读。

**兄弟进程间实现ls | wc -l**  
![在这里插入图片描述][20200707172711983.png]  
![在这里插入图片描述][20200707172640277.png]  
**兄弟进程实现ps aux | grep bash**  
![在这里插入图片描述][20200707173316537.png]  
![在这里插入图片描述][20200707173130925.png]

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**测试：是否允许，一个pipe有一个写端多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？**

*  一写多读  
    结论：一个读多个写会hang住。
 *  多写一读  
    结论：一个写多个读会hang住。

### 4. 管道缓冲区大小 ###

可以使用ulimit -a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。

通常为：  
![在这里插入图片描述][20200707173703620.png]  
也可以使用fpathconf函数，借助参数选项来查看。

### 5. 管道优劣 ###

*  优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。
 *  缺点：
    
    1.  只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
    2.  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。

### 6. FIFO ###

FIFO常被称为有名管道，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：

1.  命令：mkfifo 管道名
2.  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**  
![在这里插入图片描述][20200707175846991.png]  
**fifo\_r.c**  
![在这里插入图片描述][20200707175815265.png]  
![在这里插入图片描述][20200707175701193.png]  
![在这里插入图片描述][20200707175730176.png]

> 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注意事项，打开fifo文件的时候，read端会阻塞等待write端open，write端同理，也会阻塞等待另外一端打开。

### 7. 共享存储映射 ###

（1）文件进程间通信

使用文件也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符，也就共享打开的文件。

（2）存储映射IO

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。

![在这里插入图片描述][20200707211556904.png]

### 8. mmap函数 ###

![在这里插入图片描述][20200707211957846.png] 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)

### 9. munmap函数 ###

![在这里插入图片描述][20200707211957846.png]  
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。  
![在这里插入图片描述][20200707213716403.png]  
![在这里插入图片描述][20200707213633237.png]  
执行结果：

执行map.c之前，mem.txt大小为30，代码中 `ftruncate(fd,8);` 将文件截断为8个字节大小，共享映射为20个字节，虽然文件大小（8） < 映射区大小（20），映射区可以存储helloworld（10），同时修改文件mem.txt内容。  
![在这里插入图片描述][2020070721412064.png]  
借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？

### 10. mmap九问 ###

1.  如果更改mem变量的地址，释放的时候munmap，传入mem还能成功吗？ 不能！！
2.  如果对mem越界操作会怎么样？ 文件的大小对映射区操作有影响，尽量避免。
3.  如果文件偏移量随便填个数会怎么样？ offset必须是4k的整数倍。
4.  如果文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？没有影响。
5.  open的时候，可以新创建一个文件来创建映射区吗？不可以用大小为0的文件。
6.  open文件选择O\_WRONLY，可以吗？ 不可以： Permission denied。
7.  当选择MAP\_SHARED的时候，open文件选择O\_RDONLY，prot可以选择PROT\_READ|PROT\_WRITE吗？Permission denied ，SHARED的时候，映射区的权限 <= open文件的权限。
8.  mmap什么情况下会报错？很多情况。
9.  如果不判断返回值会怎么样？ 会死的很难堪！！

总结：使用mmap时务必注意以下事项：

1.  创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
2.  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。
3.  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。
4.  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。
5.  munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作
6.  文件偏移量必须为4K的整数倍
7.  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。

### 11. mmap父子进程间通信 ###

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；

练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，而后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。  
![在这里插入图片描述][20200707215858511.png]  
![在这里插入图片描述][20200707215806235.png]  
**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)

### 12. 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);

需注意的是，MAP\_ANONYMOUS和MAP\_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。

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

![在这里插入图片描述][2020070722091392.png]  
![在这里插入图片描述][20200707220734133.png]

### 13. 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。

**mmap\_w.c**  
![在这里插入图片描述][20200707223604214.png]  
**mmap\_r.c**  
![在这里插入图片描述][20200707223305948.png]  
![在这里插入图片描述][20200707223032748.png]

## 3. 练习 ##

1.  通过命名管道传输数据，进程A和进程B，进程A将一个文件发送给进程B？

**file2fifo.c**  
![在这里插入图片描述][20200707232138279.png]  
**fifo2file.c**  
![在这里插入图片描述][20200707232242962.png]  
![在这里插入图片描述][20200707232020890.png]  
![在这里插入图片描述][20200707231944236.png]

1.  实现多进程拷贝文件？  
    ![在这里插入图片描述][20200707233441565.png]  
    ![在这里插入图片描述][20200707233512950.png]![在这里插入图片描述][2020070723354820.png]![在这里插入图片描述][20200707233616861.png]

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     //拷贝文件起的进程数，通过参数输入，默认是5个
    13     int n = 5;
    14     //输入参数至少是3，第4个参数是进程个数
    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     //打开源文件
    26     int srcfd = open(argv[1], O_RDONLY);
    27     if (srcfd < 0)
    28     { 
    29         perror("open src err:");
    30         exit(1);
    31     }
    32 
    33     //打开目标文件
    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     //目标拓展，从源文件获得文件大小，stat
    42     struct stat sb;
    43     stat(argv[1], &sb);
    44     //将目标文件设置为和源文件大小相同
    45     int len = sb.st_size;
    46     truncate(argv[2], len);
    47 
    48     //将源文件映射到缓冲区
    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     //将目标文件映射
    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     //创建多个子进程
    64     int i = 0;
    65     for (i = 0; i < n; i++)
    66     { 
    67         if (fork() == 0)
    68         { 
    69             break;
    70         }
    71     }
    72     //计算子进程需要拷贝的起点大小
    73     int cpsize = len/n;
    74     int mod = len%n;
    75     //数据拷贝，memcpy
    76     if (i < n)
    77     { 
    78         //最后一个子进程
    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             //回收子线程
    93             wait(NULL);
    94         }
    95     }
    96     //释放映射区
    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     //关闭文件
    110     close(srcfd);
    111     close(dstfd);
    112     
    113     return 0;
    114 }

![在这里插入图片描述][20200707233424953.png]

[20200707151802329.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707151802329.png
[20200707152515787.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707152515787.png
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[20200707155139273.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707155139273.png
[20200707170850367.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707170850367.png
[20200707170551675.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707170551675.png
[20200707171627455.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707171627455.png
[2020070717050651.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/2020070717050651.png
[20200707172711983.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707172711983.png
[20200707172640277.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707172640277.png
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