经典技巧之Linux进程间通信

本篇文章给大家带来了关于linux进程间通信的相关知识，其中包括管道、匿名管道、共享内存等相关问题，希望对大家有帮助。

·进程间通信：操作系统为系统提供的用于实现进程间通信的方式

进程之间是无法直接通信的，因为每个进程都有独立的虚拟地址空间，访问的都是自己的虚拟地址，因此进程具有独立性，无法直接通信

根据通信场景的不同，因此提供了多种不同的通信方式

进程间通信方式种类：管道、共享内存、消息队列、信号量

·管道

特性：半双工通信–可以选择方向的单向通信

本质：在内核中开辟一块缓冲区（内核空间中的一块内存）

原理：多个进程通过访问同一块内核中的缓冲区实现通信（复制缓冲区的操作句柄）

分类：匿名管道：缓冲区没有标识符，只能用于具有亲缘关系的进程间通信

命名管道：缓冲区具有标识符，可用于同一主机上任意的进程间通信

linux下一切皆文件–所有东西都是当做文件一样进行操作（包括管道），通过IO操作完成对管道的访问

·匿名管道

返回值：成功返回0；失败返回-1

特性：只能用于具有亲缘关系的进程间通信

匿名管道没有标识符，无法被其他进程找到，只能通过子进程复制父进程的方式获取到操作句柄实现通信

读写特性：若管道中没有数据，则read会阻塞

若管道中数据满了，则write会阻塞

所有的管道的读端被关闭，则继续write则会触发异常，导致进程崩溃退出

所有的管道的写端被关闭，则继续read则会读完数据后返回0，不再阻塞

注：管道是半双工通信，在通信时，一旦选定了 方向，应将不使用的那一端关闭。

· 命名管道：本质是 内核中的一块缓冲区，具有标识符，可以被其他进程找到，因此可用于同一主机上的任意进程间通信

命名管道的标识符就是一个可见于文件系统的管道类型文件

多个进程通过打开同一个管道文件，访问同一块内核中的缓冲区实现通信

命令操作：mkfifo filename 创建一个命名管道文件

函数操作：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

pathname：文件名称；mode：创建权限

返回值：成功返回0；失败返回-1

·总结：管道的本质：内核空间中的一块缓冲区

原理：多个进程通过访问同一块缓冲区实现数据传输

分类：匿名管道、命名管道

匿名管道：只能用于具有亲缘关系的进程间通信

命名管道：可以用于同一主机上任意进程间通信

特性：①半双工通信–可以选择方向的单向通信

提供字节流传输服务：有序的、可靠的、基于连接的一种流式传输

基于连接：所有读端关闭则write异常；所有写端关闭则read返回0

②自带同步与互斥：

同步：通过同一时间进程对临界资源的唯一访问实现访问操作安全

互斥：通过一些条件判断让进程对临界资源的访问更加合理有序

互斥的体现：对管道进行写入操作的大小不超过PIPE_BUF-4096大小，则保证操作的原子性

同步的体现：管道没有数据则read阻塞，管道数据写满则write阻塞

③生命周期随进程：不人为干预情况下，所有打开管道的进程退出后，管道缓冲区被释放

·共享内存：用于实现进程间的数据共享

本质：一块物理内存

原理：开辟一块物理内存空间，多个进程将同一块映射到自己的虚拟地址空间，通过虚拟地址直接进行访问，进而实现数据共享

特性：最快的进程间通信方式，生命周期随内核

共享内存通过虚拟地址直接访问物理内存，实现数据共享，相对于其他方式需要将数据拷贝到内核，使用时拷贝到用户态，少了两次数据拷贝操作

注意事项：对共享内存的操作需要注意安全问题

操作流程：

①创建或打开共享内存

②将共享内存映射到进程的虚拟地址空间

③通过映射的虚拟地址进行各种内存操作

④解除映射关系

⑤删除共享内存

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key：标识符（多个进程通过相同的标识符打开同一块共享内存）

size：创建时所开辟的空间大小（以内存页为单位）

shmflg：打开方式 + 创建权限–IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664

返回值： 成功返回一个非负整数–操作句柄；失败返回-1

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

shmid：shmget返回的操作句柄

shmaddr：映射地址，通常设置为NULL

shmflg：映射成功后的访问方式；SHM_RDONLY-只读；0-读写

返回值：成功则返回映射后的首地址；失败返回(void *)-1

int shmdt(const void *shmaddr);

shmaddr：映射后的首地址

返回值：成功返回0；失败返回-1

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shmid：shmget返回的操作句柄

cmd：操作类型–IPC_RMID 标记共享内存为被销毁

buf：对于IPC_RMID，成功返回0，失败发返回-1

·消息队列

本质：内核中的一个优先级队列，多个进程通过访问同一个队列，向队列中添加或者获取节点而实现进程间的数据块传输

特性：自带同步与互斥，生命周期随内核

·信号量

本质：内核中的一个计数器 + pcb等待队列

作用：用于实现进程间的同步与互斥，协调进程对临界资源的访问

P操作：计数器-1，判断若计数小于0则阻塞进程

V操作：计数器+1，唤醒一个阻塞的进程

通过自身的计数器对资源进行计数，通过计数判断进程对资源的获取是否合理，不合理则阻塞。等待产生一个资源之后，唤醒阻塞的进程

同步的实现：通过计数器对资源进行计数，在获取资源之前进行P操作

互斥的实现：计数器为1，表示资源只有一个，进程访问资源之前进行P操作，访问完毕后进行V操作

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