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一、进程间通信的目的二、管道通信1.匿名管道2.命名管道①.创建命名管道②.使用命名管道 三、system V 标准进程间通信1.共享内存①常用接口②共享内存的内核数据结构③查看删除共享内存
一、进程间通信的目的
数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。
二、管道通信
1.匿名管道
通过打开同一个文件，父子进程对文件进行读写操作，父子进程在文件内核缓冲区中写入或读出数据，从而实现通信
创建匿名管道
pipe：创建一个管道，参数为输出型参数，打开两个文件描述符(fd)，返回值为0表示打开失败。
#include<iostream>#include<string>#include<cerrno>#include<cassert>#include<string.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>int main(){ int pipefd[2]={0}; //1.创建管道 int n=pipe(pipefd); if(n<0) { //创建不成功 std::cout<<"pipe error, "<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl; return 1; } std::cout<<"pipefd[0]: "<<pipefd[0]<<std::endl; //读 std::cout<<"pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl; //写 //2.创建子进程 pid_t id=fork(); assert(id!=-1); //省去判断 if(id==0) { //子进程 //3.关闭不需要的fd 父进程读取，子进程进行写入 close(pipefd[0]); //4.开始通信 std::string namestr="hello,我是子进程"; int cnt=1; char buffer[1024]; while(true) { snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s, 计数器：%d, 我的id: %d",namestr.c_str(),cnt++,getpid()); write(pipefd[1],buffer,strlen(buffer)); sleep(1); } exit(0); //子进程退出 } //父进程 //3.关闭不需要的fd 父进程读取，子进程进行写入 close(pipefd[1]); //4.开始通信 char buffer[1024]; while(true) { //sleep(1); int n=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1); if(n>0) { //读取成功 buffer[n]='\0'; std::cout<<"我是父进程, child give me massage: "<<buffer<<std::endl; } } return 0;}
子进程往内核缓冲区中写入数据，父进程读取数据，实现了简单的父子间进程通信。
管道的特点：
1.只能单向通信
2.面向字节流
3.只能在有"血缘"关系的进程中通信
4.管道也是文件，管道的生命周期随进程
5.管道自带同步系统，原子性写入
云服务器中，管道的大小为64KB，写端写满后不会再写，会等读端读取管道内容，且读取4KB后才会重新写入（读端的容量为4KB）
#include<iostream>#include<string>#include<cerrno>#include<cassert>#include<string.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>int main(){ int pipefd[2]={0}; //1.创建管道 int n=pipe(pipefd); if(n<0) { //创建不成功 std::cout<<"pipe error, "<<errno<<":"<<strerror(errno)<<std::endl; return 1; } std::cout<<"pipefd[0]: "<<pipefd[0]<<std::endl; //读 std::cout<<"pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl; //写 //2.创建子进程 pid_t id=fork(); assert(id!=-1); //省去判断 if(id==0) { //子进程 //3.关闭不需要的fd 父进程读取，子进程进行写入 close(pipefd[0]); //4.开始通信 std::string namestr="hello,我是子进程"; int cnt=1; char buffer[1024]; int count=0; char c='x'; while(true) { //snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s, 计数器：%d, 我的id: %d",namestr.c_str(),cnt++,getpid()); //write(pipefd[1],buffer,strlen(buffer)); write(pipefd[1],&c,1); count++; printf("%d\n",count); //sleep(1); } exit(0); //子进程退出 } //父进程 //3.关闭不需要的fd 父进程读取，子进程进行写入 close(pipefd[1]); //4.开始通信 char buffer[1024]; while(true) { sleep(3); int n=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1); if(n>0) { //读取成功 buffer[n]='\0'; std::cout<<"我是父进程, child give me massage: %d,"<<n<<buffer<<std::endl; } } return 0;}
管道的读写规则
当没有数据可读时
O_NONBLOCK disable：read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止。
O_NONBLOCK enable：read调用返回-1，errno值为EAGAIN。
当管道满的时候
O_NONBLOCK disable： write调用阻塞，直到有进程读走数据
O_NONBLOCK enable：调用返回-1，errno值为EAGAIN
如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0 如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE,进而可能导致write进程退出
当要写入的数据量不大于PIPE_BUF时，linux将保证写入的原子性。
当要写入的数据量大于PIPE_BUF时，linux将不再保证写入的原子性。
1.读端不读或读的慢，写端要等读端
2.读端关闭，写端收到SIGPIPE信号直接终止
3.写端不写或者写的慢，读端要等写端
4.写端关闭，读端会读完管道内的数据然后再读，会读到0，表示读道文件结尾
2.命名管道
匿名管道只能解决有 “血缘” 关系的进程之间通信
为解决这一问题，引入命名管道，可以实现没有 “血缘” 关系的进程也可以进行通信，
原理相同，使两个进程看到同一块内存。
①.创建命名管道
命令行创建
代码创建
umask(0); if(mkfifo(pipe, 0666) < 0) //创建命名管道 { //创建失败 perror("mkfifo"); return 1; }②.使用命名管道
进程一
#include<stdio.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#define MAX 128//实现两个进程进行相互通信int main(){ //1.打开文件 对fifo文件进行只写 int fd1=open("fifo",O_WRONLY); if(fd1==-1) { perror("open"); return 1; } printf("已打开一个管道文件\n"); char buf[MAX]; int cnt=5; //2.写数据 while(cnt) { memset(buf,0,MAX); sprintf(buf,"hello linux %d",cnt--); int ret=write(fd1,buf,strlen(buf)); printf("write fifo : %d\n",ret); sleep(1); } close(fd1); return 0;}进程二
#include<stdio.h>#include<string.h>#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#define MAX 128int main(){ //1.打开管道 int fd=open("fifo",O_RDONLY); if(fd==-1) { perror("open"); return 1; } printf("以读方式打开一个管道\n"); char buf[MAX]; //2.读数据 while(1) { memset(buf,0,MAX); int ret=read(fd,buf,MAX); if(ret<=0)//读到结尾 { perror("read"); break; } printf("buf:%s\n",buf); } //2.关闭文件 close(fd); return 0;}运行两个程序，由此实现了两个进程的通信，如果想要实现相互通信，可以再开一个管道进行操作
三、system V 标准进程间通信
system V：同一主机内的进程间通信方案，在OS层面专门为进程间通信设计的方案
进程间通信的本质：让不同的进程看到同一份资源
system V标准下的三种通信方式 ①共享内存 ②消息队列 ③信号量
1.共享内存
实现原理
1.通过系统调用，在内存中创建一份内存空间
2.通过系统调用，让进程"挂接"到这份新开辟的内存空间上(即在页表上建立虚拟地址与物理地址的映射关系)
3.去关联(挂接)
4.释放共享内存
①常用接口
sheget :申请共享内存
返回值
#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);// key：创建共享内存时的算法和数据结构中唯一标识符，由用户自己设定需用到接口ftok// size：共享内存的大小，建议是4KB的整数倍// shmflg：有两个选项：IPC_CREAT(0)，创建一个共享内存，如果已经存在则返回共享内存；IPC_EXCL(单独使用没有意义)// IPC_CREAT|IPC_EXCL(如果调用成功，一定会得到一个全新的共享内存)：如果不存在共享内存，就创建；反之，返回出错// 返回值：shmdi，描述共享内存的标识符 #include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id); // 算法生成key// pathname：自定义路径名// proj_id：自定义项目id
shmctl :控制共享内存
返回值
#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);// shmid：共享内存id// cmd：控制方式，这里我们只使用IPC_RMID 选项，表示删除共享内存// buf：描述共享内存的数据结构
关联和去关联共享内存
返回值
#include <sys/types.h>#include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); // 关联// shmid：共享内存id// shmaddr：挂接地址(自己不知道地址，所以默认为NULL)// shmflg：挂接方式，默认为0// 返回值：挂接成功返回共享内存起始地址(虚拟地址)，类似C语言malloc int shmdt(const void *shmaddr); // 去关联(取消当前进程和共享内存的关系)// shmaddr：去关联内存地址，即shmat返回值// 返回值：调用成功返回0，失败返回-1
②共享内存的内核数据结构
共享内存是内存，操作系统同时是运行多个进程的，所以操作系统中有多个共享内存同时存在，操作系统如何管理这些内存文件？先描述，后组织，操作系统会定义一个struct shmid_ds的内核数据结构去管理这些打开的贡献内存。
③查看删除共享内存
指令查看共享内存: ipcs -m
system V 的IPC资源，生命周期随内核，只能通过程序员显示释放(或者OS重启)
指令删除共享内存： ipcrm -m shmid
也可使用指令shmctl进行共享内存删除操作
实现一个小demo通过内存共享实现进程间相互通信
comman.hpp
#ifndef __COMM_HPP__#define __COMM_HPP__ #include<iostream>#include<cerrno>#include<cstdio>#include<cassert>#include<cstring>#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<sys/shm.h>using namespace std;#define PATHNAME "."#define PROJID 0x6666const int gsize=4096;key_t getKey(){ key_t k=ftok(PATHNAME,PROJID); if(k==-1) { //失败 cerr<<"error"<<errno<<":"<<strerror(errno)<<endl; exit(1); } return k;}string toHex(int x){ char buffer[64]; snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%x",x); return buffer;}static int creatShmHelper(key_t k,int size,int flag){ int shmid=shmget(k,size,flag); if(shmid==-1) { // 创建失败 cerr<<"error: "<<errno<<": "<<strerror(errno)<<endl; exit(2); } return shmid;}//创建共享内存//IPC_CREATE//单独使用IPC_CREATE:创建一个共享内存，如果共享内存不存在，就创建之，如果已经存在，获取已经存在的共享内存并返回//IPC_EXCL不能单独使用，一般配合IPC_CREATE//IPC_CREATE | IPC_EXCL :创建一个共享内存，如果不存在，就创建之，如果已经存在，立马出错返回，如果创建成功，返回创建好的共享内存int creatShm(key_t k,int size){ umask(0); return creatShmHelper(k,size,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666); //设置权限}//获取共享内存int getShm(key_t k,int size){ return creatShmHelper(k,size,IPC_CREAT);}void delShm(int shmid){ int n=shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr); assert(n!=-1); (void)n;}char* attachShm(int shmid){ char* start=(char*)shmat(shmid,nullptr,0); return start;} void detachShm(char* start){ int n=shmdt(start); assert(n!=-1); (void)n;}#endifshmserver.cc
#include"comman.hpp"#include<unistd.h>int main(){ //1.创建key key_t k=getKey(); cout<<"server:"<<toHex(k)<<endl; //2.创建共享内存 int shmid=creatShm(k,gsize); cout<<"server shmid: "<<shmid<<endl; //3.将自己和共享内存关联起来 char * start=attachShm(shmid); //通信代码 int n=0; while(n<=26) { cout<<"client -> server # "<<start<<endl; n++; sleep(1); } //sleep(3); //4.将自己和共享内存去关联 detachShm(start); //删除共享内存 delShm(shmid); return 0;}shmclient.cc
#include"comman.hpp"#include<unistd.h>int main(){ key_t k=getKey(); cout<<"client:"<<toHex(k)<<endl; int shmid=getShm(k,gsize); cout<<"client shmid: "<<shmid<<endl; //3.将自己和共享内存关联起来 char * start=attachShm(shmid); char c='A'; while(c<='Z') { start[c-'A']=c; c++; start[c]='\0'; sleep(1); } //4.将自己和共享内存去关联 detachShm(start); sleep(5); return 0;}实现效果
使用共享内存进行通信时，不需要使用read和write 接口。
共享内存是所有进程间通信中速度最快的。
共享内存不提供任何同步或互斥机制，需要程序员自行保证数据安全。
ps: 共享内存在内核中的申请的基本单位是页，内存页的大小为4KB，如果申请4097个字节，内核会分配8KB空间，但实际给使用的内存还是4097个字节。