目录
- 进程间通讯概述
- 进程间通讯方式
- 具体实现
概述
- 进程间通讯（IPC）是指在两个或多个不同的进程间传递或者交换信息。
- 进程是一个独立的资源管理单元，不同的进程之间资源是独立的，不能在一个进程中直接访问另一个进程的资源，但是进程间也不是孤立的，因此，进程间也需要一些信息的交互和状态传递，所以呢也就需要进程间数据传递，同步和异步的机制。
进程间通讯的目的
数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。
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）。
资源共享的同步：多个进程之间共享同样的资源。为了作到这一点，需要内核提供锁和同步机制。
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。
进程间访问的方式
现在linux使用的进程间通信方式：
（1）无名管道（pipe）和有名管道（FIFO）
（2）消息队列
（3）共享内存
（4）信号量
（5）信号（signal）
（6）套接字（socket）
具体实现
1.无名管道（PIPE）
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概念：
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无名管道（匿名管道），是一种具有两个端点的通信通道，管道的一端用于读取管道内数据，另一端用于将数据写入到管道内。创建一个管道后，会获取一对文件描述符，用于读取和写入。匿名管道通常是用在父子进程之间，由父进程创建匿名管道，子进程会继承管道的读端和写端，实现通讯。
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管道是单向的、先进先出的、无结构的字节流。写进程在管道的尾端写入数据，读进程在管道的首端读出数据。数据读出后将从管道中移走，其它读进程都不能再读到这些数据。管道提供了简单的流控制机制。进程试图读空管道时，在有数据写入管道前，进程将一直阻塞。同样，管道已经满时，进程再试图写管道，在其它进程从管道中移走数据之前，写进程将一直阻塞。
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由于PIPE 存在于内存中，并且只有创建它的进程可以直接拿到读写两个文件描述符，其他的进程要想获取到这两个描述符相对来说比较困难，通常做法是父进程先创建无名管道，再创建子进程。由于子进程继承父进程打开的文件描述符，所以父子进程就可以通过无名管道进行通信。
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无名管道是临时的，在通讯完成进程退出后，将自动消失，对管道的读写可以使用 read 和write函数。
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无名管道默认情况下只有64KB
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PIPE的创建
| 函数名 | pipe |
|---|---|
| 头文件 | #include <unistd.h> |
| 函数原型 | int pipe(int fd[2]); |
| 功能 | 创建一个匿名管道 |
| 参数说明 | fd：管道的2个文件描述符； 管道创建后，可以直接操作这两个文件描述符： fd[0] 代表读端 fd[1] 代表写端 |
| 返回值 | 成功，返回0，否则返回-1，错误码放在errno |
2.有名管道
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概念：
- 有名管道（命名管道），不同与无名管道的是有名管道可以用于不相关的进程之间进行通讯。
- 创建有名管道的进程可以给管道取名字以及路径，该路径名是以特殊的文件存在放在文件系统中，因此两个进程可以通过访问该路径来建立联系，进行进程间的数据交换，有名管道和无名管道都遵循先进先出的原则。
- 有名管道是一个特殊的文件，它和普通的文件一样具有磁盘存放路径，文件权限和其他属性，但是两者又有区别，有名管道并不会在磁盘中存放真正的信息，信息存放在内存中。通讯的两个进程结束后，信息会自动消失，但管道文件路径依然存在。
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有名管道的特点：
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1.如果以写的方式打开有名管道，则其他进程需要以读的方式打开，否则，进程阻塞，如果是读的方式打开有名管道(管道已创建)，而没有写进程，读进程会阻塞，反之亦然。显然如果一个进程是以可读写的方式打开有名管道，当然进程充当了读和写两个身份，进程不会阻塞。
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2.两个进程已经完成打开有名管道操作，阻塞读操作按以下方式执行：
a）如果管道中无数据，读进程默认阻塞；
b）如果管道中有数据，但数据小于欲读取数据量，读出所有数据后返回；
c）如果管道中有数据，但数据大于欲读取数据量，读出期望数据后返回；
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3.两个进程已经完成打开有名管道操作，阻塞写操作按以下方式执行：
a）如果管道中无空间，写操作阻塞；
b）如果管道中有空间，但空间小于欲写入数据量，写满空间后阻塞；
c）如果管道中有空间，但空间大于欲写入数据量，写人数据后返回；
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4.两个进程已经完成打开有名管道操作，中途其中一个进程退出：
a）如果退出的是读操作，则写操作将返回 SIGPIPE 信号；
b）如果退出的是写操作，则读操作将不再阻塞，直接返回0。
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FIFO的创建
| 函数名 | mkfifo |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> |
| 函数原型 | int mkfifo(const char* pathname,mode_t mode); |
| 功能 | 创建一个命名管道 |
| 参数说明 | 1.pathname：欲建立的FIFO 文件路径和文件名； 2. mode： FIFO 文件权限 |
| 返回值 | 成功，返回0，否则返回-1，错误码放在errno |
3.共享内存
- 概述：
- 共享内存是进程间通讯中最简单的一种，也是最快的一种，共享内存就是一段能被其他进程所共同访问的物理内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。
- 优点：
- 因为所有进程共享同一块内存，所以共享内存在各种进程间通讯方式中具有最高的效率，访问共享内存区域和访问进程独有的内存区一样快，并不需要通过其他方式来完成，所以也避免了对数据的不必要的复制。
- 缺点：
- 因为所有进程共享内存，就会引起同步的问题，而系统对访问共享内存没有进行同步机制，就需要用户自己来提供同步措施。
- **例如：**在数据没有写入之前，不允许从共享内存中读取数据。也不允许两个进程在同一时间向共享内存区写入数据，解决这些问题的常见方法就是通过信号量的方式来进行。
共享内存使用的步骤：
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创建新的共享内存：
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也就是说从内存中申请一段共享内存区域，所有进程都共享对同一内存的访问，但只应由一个进程来创建新的共享内存。
-
再次使用一块已经存在的内存块不会创建新的，而是返回一个标识该内存块的标识符。
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具体实现： shmget 函数
- 例如：shmget（IPC_PRIVATE,512,IPC_CREAT |0600）；
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映射共享内存到各进程的地址空间：
- 一个进程如果想要使用这个共享内存块，首先必须将它映射到自己的地址空间，这样会创建一个从进程虚拟地址空间到共享内存页面的映射关系。
- 具体实现： shmat 函数
- 例如：add =shmat（shmid，NULL，0）；
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使用共享内存进行数据交换：
- 进过映射后，进程就可以通过映射的地址来访问这段共享内存。
- 具体实现： strcpy，memcpy memset，bzero等
-
断开与共享内存的映射：
- 当进程对共享内存的使用结束以后，这个映射关系将被删除，所以进程需要断开与共享内存的映射
- 具体实现： shmdt 函数，例如： shmdt（addr）；
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回收共享内存：
- 当再没有进程需要使用共享内存的时候，必须要有一个进程负责将这个共享内存块释放，以便系统回收。
- 具体实现： shmctl函数
- 例如：shmctl（shmid，IPC_RMID,NULL）
备注：所有的共享内存块的大小都必须是系统页面大小的整数倍，系统页面大小指的是系统中单个内存页面包含的字节数，在linux 系统中，内存页面大小是 4kB，用户可以通过调用 getpagesize() 这个函数来获取这个值。
共享内存相关函数
| 函数名 | shmget |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> |
| 函数原型 | int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg); |
| 功能 | 得到一个共享内存的描述符，创建一个共享内存对象并返回标识符 |
| 参数说明 | 1.key：通常此值来源于ftok 返回的IPC值，如果key为（IPC_PRIVATE）则会创建新的共享内存。 2.ftok(“/home/terry”,1); 传入的路径必须是存在的路径且可访问 3.size： 创建的共享内存大小，以字节为单位。 4. shmflg: 当shmflg&IPC_CREAT为真时，如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存，返回此共享内存的标识符: 如果参数shmflg 包含了IPC_CREAT和IPC_EXCL ，如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在则报错，可以通过此方式来验证共享内存是否已经存在。shmflg 也用来决定共享内存的访问权限。 |
| 返回值 | 成功，返回共享内存标识符，否则返回-1，错误码放在errno |
| 函数名 | shmat |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> |
| 函数原型 | void* shmat(int shmid,const void* shmaddr,int shmflg); |
| 功能 | 连接共享内存，成功后会将共享内存映射到调用进程的地址空间 |
| 参数说明 | 1.shmid：共享内存的标识符； 2.shmaddr： 指定共享内存映射到地址空间的什么位置，可指定NULL 让内核自己决定一个合适的地址位置； 3. shmflg: SHM_RDONLY 只读模式，其他为读写模式，可直接写 0 |
| 返回值 | 成功，返回已连接的地址，否则返回(void*)-1，错误码放在errno |
| 函数名 | shmdt |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> |
| 函数原型 | int shmdt(const void* shmaddr); |
| 功能 | 断开之前连接的共享内存。 |
| 参数说明 | shmaddr： 连接的共享内存的起始地址 |
| 返回值 | 成功，返回0，否则返回-1，错误码放在errno |
| 函数名 | shmctl |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> |
| 函数原型 | int shmctl(int shmid,int cmd, struct shmid_ds *buf); |
| 功能 | 控制共享内存的运行 |
| 参数说明 | 1. shmid：共享内存的标识符; 2. cmd： 操作模式，可取以下值。 IPC_STAT : 将共享内存的信息复制到buf; IPC_SET: 将参数buf 中指示的数据复制到共享内存的信息； IPC_RMID: 删除共享内存 SHM_LOCK: 不让这个共享内存置换到 SWAP SHM_UNLOCK: 允许这个共享内存置换到 SWAP 注意： SHM_LOCK和SHM_UNLOCK 唯有root 可以使用 3. buf: 指向struct shmid_ds 结构体的指针，详见下一页相关数据结构。 |
| 返回值 | 成功，返回 0，否则返回-1，错误码放在errno |
共享内存相关数据结构
4.消息队列
- 概念：
- 消息队列就是一个消息的链表，提供了一种由一个进程向另一个进程发送块数据的方法。另外，每一个数据块被看作有一个类型，而接收进程可以独立接收具有不同类型的数据块,在许多方面看来，消息队列类似于有名管道，但是却没有与打开与关闭管道的复杂关联。
- **优点： **
- 1.通过发送消息来几乎完全避免命名管道的同步和阻塞问题
- 2.独立于发送和接收进程而存在，这消除了在同步命名管道的打开和 关闭时可能产生的一些困难。
- 缺点：
- 1.与管道一样，每个数据块有一个最大长度的限制
- 2.系统中所有队列所包含的全部数据块的总长度也有一个上限。 Linux 系统中有两个宏定义 MSGMAX, 以字节为单位，定义了一条消息的最大长度。 MSGMNB, 以字节为单位，定义了一个队列的最大长度。
Linux 操作系统中，对消息队列进行了以下的规定，不同的系统的限制值可以通过调用 msgctl 函数使用 IPC_INFO/MSG_INFO 参数获取，或者通过指令ipcs -ql来获取。 需要强调的是，不同的Linux 版本，限制值可能不一样。
1.默认情况下，系统最多允许有16个消息队列；
2.每个消息队列最大为 16384字节；
3.消息队列中的每个消息最大为8192字节 （8KB）
消息队列的使用步骤：
1.创建或打开消息队列：
具体实现： msgget 函数
例： msgget（key,IPC_CREATE |0600）;
2.添加消息或读取消息：
具体实现： 添加消息/发送消息 msgsnd函数
读取消息 msgrcv 函数
例：
msgsnd（msgid,&sndmsg，size，0）;
msgrcv（msgid,&rcvmsg，size，type，msgflg）;
3.销毁消息队列：
具体实现： msgctl函数
例： msgctl（msgid,IPC_RMID，NULL）;
消息队列相关函数
| 函数名 | msgget |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> |
| 函数原型 | int msgget(key_t key,int msgflg); |
| 功能 | 获取或创建一个消息队列 |
| 参数说明 | 1.key：消息队列的关键字，函数将dm.txt它与已有的消息队列关键字进行对比来判断消息队列是否已经创建，函数具体操作由msgflg 来决定。 ftok(“/home/terry”,1); 2. msgflg: 消息队列建立标志和存取权限，可取以下值：IPC_CREAT：如果消息队列不存在就创建，否则打开消息队列； IPC_EXCL:一般是和 IPC_CREAT一起使用，如果消息队列不存在就创建，否则产生一个错误并返回，msgflg 也用来决定消息队列的访问权限。备注：只指定IPC_CREAT,要么返回已存在的标识符，要么返回创建的标识符如果和IPC_EXCL一起指定，要么返回新建的标识符，要么返回-1. |
| 返回值 | 成功，返回消息队列标识符，否则返回-1，错误码放在errno |
| 函数名 | msgsnd |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> |
| 函数原型 | int msgsnd(int msgid,const void* msgp,size_t msgsz,int msgflg); |
| 功能 | 写一个消息到消息队列，为了发送消息，调用进程必须针对该消息队列有写的权限 |
| 参数说明 | 1.msgid：消息队列的标识符； 2.msgp： 指向消息缓冲区的指针，临时存放发送的消息； 是一个用户自定义的通用结构体， struct msgbuf{long mtype; char mtext[SIZE];}; 注意： mtype 必须 >03.msgsz: 要发送消息的实际数据长度 4.msgflg: 可直接写 0 |
| 返回值 | 成功，返回0，否则返回-1，错误码放在errno |
| 函数名 | msgrcv |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> |
| 函数原型 | size_t msgrcv(int msgid, void* msgp,size_t msgsz,long msgtype,int msgflg); |
| 功能 | 从消息队列中读取消息，调用进程必须针对该消息队列有读的权限 |
| 参数说明 | 1.msgid：消息队列的标识符； 2.msgp： 指向消息缓冲区的指针，临时存放接收的消息； 是一个用户自定义的通用结构体， struct msgbuf{long mtype; char mtext[SIZE];}; 3. msgsz: 要接收消息的缓冲区长度 4.msgtype:消息类型（ 非负整数，详见手册） 5. msgflg: 可直接写 0 |
| 返回值 | 成功，返回实际接收到的字节数，否则返回-1，错误码放在errno |
| 函数名 | msgctl |
|---|---|
| 头文件 | #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> |
| 函数原型 | int msgctl(int msgid,int cmd, struct msqid_ds *buf); |
| 功能 | 控制消息队列的运行 |
| 参数说明 | 1.msgid：消息队列的标识符; 2. cmd： 操作模式，可取以下值。 IPC_STAT : 将消息队列的信息复制到buf; IPC_SET: 将参数buf 中指示的数据复制到消息队列的信息； IPC_RMID: 删除消息队列 IPC_INFO: 获取消息队列的limit 信息； 3. buf: 指向struct_msgid_ds 结构体的指针，详见下一页相关数据结构。 备注：IPC_SET命令中msgid_ds数据中唯一能被设定的只有 msg_perm成员，而msg_perm中能修改的只有 mode,pid和 uid，其他是由系统设定的。 |
| 返回值 | 成功，返回 0，否则返回-1，错误码放在errno |
消息队列相关数据结构
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