C语言-Linux进程间通信方式

1、进程间通信方式概述

进程间通信方式有：
    管道(Pipo)和有名管道(FIFO):用于具有亲缘关系进行间通信，有名管道，允许无亲缘关系进程间的通信
    信号(Signal)：比较复杂的通信方式，用于通知接收进程有某种事件发生
    消息队列：消息的连接表，包括Posix消息队列和System V消息队列
    信号量(Signal)/信号灯：主要被用作进程间或同一进程不同线程之间的同步手段
    共享内存：最有用的进程间通信方式，需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以
    套接字：用于不同机器之间的进程间通信

进程间通信的目的
    数据传输、共享数据、通知事件、资源共享、进程控制

2、管道通信

特点：
    半双工，数据只能一个方向流动，进行双方通信的时候要建立两个管道，用于父子间或兄弟进程间通信
    一个进程向管道中写的数据内容被管道另一端的进程读出
    写入的数据每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据
    一般的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等

读数据步骤：
    若写端不存在，则认为以及读到了数据的末尾，读函数返回读出的字节数为0
    若管道的写端存在，请求的字节数目大于PIPE_BUE(定义在include/linux/limits中),返回现有字节数，不大于的话，返回现有字节数或请求字节数
    在管道写端关闭后，写入的数据将一直存在，直到被读出为止

写端对读端的依赖性：
    在向进程中写入数据时，至少应该存在某一个进程，其中管道读端没有被关闭。否则就会出现管道断裂，进程收到SIGPIPE信号，默认动作为进程终止

2.1 创建无名管道

函数详解

表头文件#include <unistd.h>定义函数int pipe(int filedes[2]);函数说明用于建立管道将文件描述符由参数filedes数组返回filedes[0] 为管道的读取端filedes[1] 为管道的写入端返回值成功返回零，否则返回-1

综合案例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(int argc,char *argv[])
{int filedes[2];char buffer[80];pipe(filedes);if(fork() > 0){char s[] = "hello!\n";write(filedes[1],s,sizeof(s));}else{read(filedes[0],buffer,80);printf("father %s",buffer);}return 0;
}

运行结果

linux@ubuntu:~/test$ gcc pipe_dome.c -o pipe_dome
linux@ubuntu:~/test$ ./pipe_dome 
father hello!

2.2 创建有名管道

函数详解

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>定义函数int mkfifo(const char* pathname,mode_t mode);函数说明pathname: 建立特殊的FIFO文件，该文件必须不存在mode： 描述pahtname文件的权限当使用open()打开文件时，O_NONBLOCK旗标会有下列影响:当使用O_NONBLOCK旗标时，打开文件来读取操作会立刻返回；若没有其他进程打开文件来读取，则写入操作会返回ENXIO错误没有使用O_NONBLOCK旗标时，打开FIFO文件读取操作会等到其他进程打开FIFO文件进行写入才能正常返回。同样，打开FIFO文件进行写入操作会等其他进程打开FIFO文件进程读取后才能正常返回

综合案例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define FIFO "/home/linux/test/2"int main(int argc,char *argv[])
{char buffer[80];int fd;unlink(FIFO);                 //unlink删除指定的文件，若文件存在则删除它，确保后边mkfifo建立的特殊文件不存在mkfifo(FIFO,0666);if(fork() > 0){char s[] = "hello!\n";fd = open(FIFO,O_WRONLY);write(fd,s,sizeof(s));close(fd);}else{fd = open(FIFO,O_RDONLY);read(fd,buffer,80);printf("%s",buffer);close(fd);}return 0;
}

运行结果

linux@ubuntu:~/test$ gcc mkfifo.c -o mkfifo
linux@ubuntu:~/test$ ./mkfifo
hello!

3、信号

信号的本质：
    在软件层次上对中断机制的一种模拟。异步的

信号来源：
    硬件来源：按下了键盘或者其他硬件故障
    软件来源：发送信号的系统函数：kill、raise、alarm、setitimer、非法运算操作

分类：
    性能：
        可靠：克服了信号可能丢失问题，这些信号支持排队
        不可靠：从UNIX继承过来的信号，进程每次处理信号后，就将对信号的相应设置为默认动作，有时候会错误处理，或信号丢失
    时间：
        实时：支持排队，都是可靠信号
        非实时：不支持排队，是不可靠信号

信号的处理方式：
    忽略信号：即对信号不做任何处理，SIGKILL和SIGSTOP不能忽略
    捕捉信号：定义信号处理函数，当信号发生时，执行相应的处理函数
    执行默认操作：进程对实时信号的默认操作反应是进程终止

信号发送的主要函数有：
    kill、raise、sigqueue、alarm、setitimer、abort

3.1 信号发送函数kill和alarm

函数详解

表头文件#include <sys/types.h>#include <signal.h>定义函数int kill(pid_t pid,int sig);函数说明用于发送信号给指定进程pid: 指定的进程pid>0:将信号传递给指定的pid进程pid=0:将信号传给目前进程相同的进程组的所有进程pid=-1:将信号广播传送给系统内所有的进程pid<0:将信号传给进程组识别码为pid绝对值的所有进程sig:指定要传送的信号返回值执行成功将返回0，如果有错误则返回-1

综合案例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>int main(int argc,char *argv[])
{pid_t pid;int status;pid = fork();if(pid == 0){printf("I an child process!\n");sleep(10);}else{printf("send signal to child process (%d)\n",pid);sleep(1);kill(pid,SIGABRT);                    //向子进程中发送信号6wait(&status);                        //等待子进程中断或结束，将结束信号返回if(WIFSIGNALED(status))               //判断子进程是否因信号而结束printf("child process receive signal %d\n",WTERMSIG(status));   //获取子进程因信号而中止的信号代码}return 0;
}

运行结果

linux@ubuntu:~/test$ gcc kill_dome.c -o kill_dome
linux@ubuntu:~/test$ ./kill_dome 
send signal to child process (25564)
I an child process!
child process receive signal 6

函数详解

表头文件#include <unistd.h>定义函数unsigned int alarm(unsigned int seconds);函数说明用来设置信号传送闹钟设置信号SIGALRM，在经过seconds指定的秒数后传送给目前的进程若参数为0，则之前设置的闹钟会被取消，剩下的时间返回返回值返回之前闹钟剩余的秒数，如果之前未设置闹钟则返回0

综合案例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>void handler()
{printf("hello\n");
}int main(int argc,char *argv[])
{int i;signal(SIGALRM,handler);alarm(5);for(i = 1;i < 7;i++){printf("sleep %d ..\n",i);sleep(1);}return 0;
}

运行结果

linux@ubuntu:~/test$ gcc ararm_dome.c -o alarm_dome
linux@ubuntu:~/test$ ./alarm_dome
sleep 1 ..
sleep 2 ..
sleep 3 ..
sleep 4 ..
sleep 5 ..
hello
sleep 6 ..

3.2 自定义信号处理方式

3.2.1 signal函数

函数详解

表头文件#include <signal.h>

定义函数void (*signal(int signum,void(*handler)(int)))(int);

函数说明用于传送信号给指定的进程signum: 指定信号编号来设置该信号的处理函数void(*handler)(int): 信号处理函数如果参数handler不是函数指针，则必是下列两个常数之一SIG_IGN：忽略参数signum指定信号SIG_DFL：将参数signum指定的信号重设为核心预设的信号处理方式

返回值返回先去的信号处理函数指针，若错误则返回-1注意：信号跳转到自定的handler处理函数后，系统会自动将此函数换回原来系统预设的处理方式，若要改变此操作，采用sigaction

综合案例

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>void my_func(int sign_no)
{if(sign_no == SIGINT)printf("I have get SIGINT\n");else if(sign_no == SIGQUIT)printf("I have get SIGQUIT\n");
}int main(int argc,char *argv[])
{printf("Waiting for signal SIGINT or SIGQUIT\n");/*注册信号处理函数*/signal(SIGINT,my_func);signal(SIGQUIT,my_func);pause();   //暂停主进程，直到收到信号exit(0);return 0;
}

运行结果

linux@ubuntu:~/test$ ./signal_dome 
Waiting for signal SIGINT or SIGQUIT
I have get SIGQUIT//新开窗口
linux@ubuntu:~$ ps -aux|grep signal_dome
Warning: bad ps syntax, perhaps a bogus '-'? See http://procps.sf.net/faq.html
linux    25920  0.1  0.5  15872  5560 pts/2    S+   19:02   0:01 vi signal_dome.c
linux    25992  0.0  0.0   1988   280 pts/3    T    19:15   0:00 ./signal_dome
linux    26000  0.0  0.0   1988   284 pts/3    S+   19:16   0:00 ./signal_dome
linux    26064  0.0  0.0   6044   836 pts/5    T    19:16   0:00 grep --color=auto -l signal_dome
linux    26071  0.0  0.0   6044   836 pts/5    S+   19:17   0:00 grep --color=auto signal_dome
linux@ubuntu:~$ kill -SIGQUIT 26000                            //向暂停的进程发送信号

3.2.2 sigaction函数

表头文件#include <signal>定义函数int sigaction(int signum,const struct sigaction *act,struct sigaction * oldact);函数说明用于查询或设置信号处理方式signum：指定信号编号来处理函数sigaction定义如下：struct sigaction{void (*sa_handler)(int);  //新处理函数，同signal函数的参数handlersigset_t sa_mask;         //处理该信号时暂时将sa_mask信号搁置int sa_flags;             //用来处理信号的其他相关操作//A_NOCLDSTOP:如果参数signum为SIGCHLD,则当子进程暂停时并不会通知父进程//SA_ONESHOT/SA_RESETHAND:在调用新的信号处理函数前，将此信号处理方式改为系统预设的方式//SA_RESTART:被信号中断的系统调用会自行重启//SA_NOMASK/SA_NODEFER:在处理此信号未结束前不理会此信号的再次到来void (*sa_restorer)(void);   //已过时，POSIX不支持它}若参数oldact不是NULL指针，则原来的信号处理方式会由结构sigaction返回返回值成功返回0，错误返回-1

3.3 信号集操作

信号集被定义为一种数据类型：
typedef struct
{unsigned long sig[_NSIG_WORDS];
}sigset_t

3.3.1 sigemptyset函数

表头文件#include <signal.h>定义函数int sigemptyset(sigset_t *set);函数说明用于初始化信号集将参数set初始化，并清空返回值执行成功返回0，错误返回-1

3.3.2 sigfillset函数

表头文件#include <signal.h>

定义函数int sigfillset(sigset_t *set);

函数说明用于将所有信号加入信号集将参数set初始化，然后把所有信号加入此信号集里返回值成功返回0.错误返回-1

3.3.3 sigaddset()函数

表头文件#include <signal.h>

定义函数int sigaddset(sigset_t *set,int signum);

函数说明增加一个信号到信号集用来将参数signum代表的信号加入至set中

返回值成功返回0.错误返回-1

3.3.4 sigdelset函数

表头文件#include <signal.h>

定义函数int sigdelset(sigset_t *set,int signum);

函数说明用于从信号集中删除一个信号用来将参数signum代表的信号从参数set中删除

返回值成功返回0.错误返回-1

3.3.5 sigismember函数

表头文件#include <signal.h>

定义函数int sigismember(const sigset_t *set,int signum);

函数说明测试某个信号是否已加入信号集内用来测试参数signum代表的信号是否加入参数set中

返回值成功返回0.错误返回-1

4、消息队列

概念
    消息队列就是一个消息的链表。可以把消息看作一个记录，具有特定的格式和特定的优先级。对消息队列有写权限的进程可以按照一定的规则添加新消息，对于消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中读走消息，消息队列是随内核持续的

类型
    POSIX消息队列和系统V消息队列，考虑程序的移植性，尽量用POSIX消息队列

基础理论
    系统V消息队列是随内核持续的，只有在内核重启或者显示删除一个消息队列时，该消息队列才会真正被删除
    系统中记录消息队列的数据结构(struct ipc_ids msg_ids)位于内核中消息队列可以在msg_ids中找到访问入口
    每个消息都有一个队列头，用struct msg_queue来描述

对消息队列的操作
    打开或创建消息队列：要获得消息队列描述词，需提供消息队列的键值
    读写消息队列：每个消息都有类似如下的数据结构
        struct msgbuf
        {
            long mtype;    //消息类型
            char mtext[1]; //消息内容，长度不一定为1
        }
        故对于发送消息来说，需要预置一个msgbuf缓冲区并写入消息内容，读同样
    获取或设置消息队列属性

4.1 ftok函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>定义函数key_t ftok(char* pathname,char proj);

函数说明用于将文件名转化成键值pathname:相应的一个文件，必须存在，且在程序的访问范围内char:任意一个字符

返回值返回与文件对应的键值

4.2 msgget函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>

定义函数int msgget(key_t key,int msgflg);

函数说明用于创建一个消息队列key:一个键值msgflg:标志位IPC_CREAT、IPC_EXCL、IPC_NOWAIT若没有消息队列与键值key对应，且msgflg包含IPC_CREAT标志位或参数key位IPC_PRIVATE则将创建一个新的消息队列

返回值成功返回队列描述词，否则返回-1

4.3 msgrcv函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>

定义函数int msgrcv(int msqid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,long msgtyp,int msgflg);

函数说明用于读出消息队列的数据msqid:消息队列描述词*msgp:将消息存在msgp所指向的msgbuf结构中msgsz:指定msgbuf的mtext的长度msgtyp:请求读取的消息类型msgflg:控制消息队列中没有相应类型的消息可以接收时将发生的事情IPC_NOWAIT:没有返回条件的消息，调用立即返回ENOMSG

返回值成功则返回读出消息的实际字节数，否则返回-1

4.4 msgsnd函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>

定义函数int msgsnd(int msqid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,int msgflg);

函数说明用于向消息队列中写入数据msqid:消息队列描述词*msgp:将存在msgp所指向的msgbuf结构中的消息进行发送msgsz:消息的大小msgflg:有意义的msgflg标志为IPC_NOWAIT，表明消息队列没有足够的空间容纳要发送的消息时，msgsnd是否等待

返回值成功返回0，否则返回-1

4.5 msgctl函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>

定义函数int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);

函数说明用于控制消息队列msqid:消息队列描述词cmd:IPC_STAT:获取消息队列信息，返回的信息存储在buf指向的msqid结构中IPC_SET:设置消息队列的属性，设置的属性存储在buf指向的msqid结构中IPC_RMID:删除msqid标识的消息队列

返回值成功返回0，否则返回-1

5、信号灯(了解)

作用：
    提供对进程间共享资源的访问控制机制，相当于内存中的标志，进程可以根据它判定是否能够访问某些共享资源

类型：
    二值信号灯：最简单的信号灯形式，信号灯的值只能取0或1，类似于互斥锁
    计算信号灯：信号灯的值可以取任意非负值

内核实现原理：
    系统V信号灯也是随内核持续的。在内核中由数据结构struct ipc_ids sem_ids记录，所有信号灯都可以在结构sem_ids中找到访问入口

信号灯的使用
    打开或创建信号灯：与消息队列的创建及打开相同
    信号灯值操作:linux可以加减信号灯的值，相当于对共享资源的释放和占有
    获得或设置信号灯属性：系统中的每一个信号灯集都对应一个struct sem_array结构，该结构记录了信号灯集的各种信息，存在于系统空间。为了设置、获得该信号灯集的各种信息和属性，在用户空间有一个重要的联合结构与之对应，即union semun

5.1 semget函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>

定义函数int semget(key_t key,int nsems,int semflg);

函数说明配置信号灯key:是一个键值，由ftok获得，标识唯一一个信号灯集，用法与msgget中的key相同nsems:指定打开或者新创建的信号灯集中包含的信号灯的数目semflg:标志位，与msgget相同返回值成功返回信号灯集描述词，否则返回-1

5.2 semop函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>

定义函数int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);

函数说明用于信号灯处理semid:信号集IDsops:指向数组的每一个sembuf结构都描述一个特定信号灯上的操作nsops:sops数组的大小sembuf的结构为：struct sembuf{unsigned short sem_num;     //对应集中的信号灯，0对应第一个信号灯short          sem_op;      //大于0，等于0，小于0确定了对sem_num指定的信号灯进行的3种操作short          sem_flg;     //IPC_NOWAIT和SEM_UNDO两个标志}

返回值成功返回0，否则返回-1

5.3 semctl函数

表头文件#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/msg.h>

定义函数int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);

函数说明用于控制信号灯semid:指定信号灯集cmd:具体的操作类型IPC_STAT:获取信号灯信息，由arg.buf返回IPC_SET:设置信号灯信息，设置信息保存在arg.buf中CETALL:返回所有信号灯信息，结果保存在arg.array中CETNCNT:返回等待semnum所代表信号灯的值增加的进程数GETPID:返回最后一个对semnum所代表信号灯执行semop操作的进程IDGETVAL:返回semnum所代表信号灯的值GETZCNT:返回等待semnum所代表信号灯的值变成0的进程数SETALL:设置semnum所代表信号灯的值为arg.val