软件编程3-进程和线程4-进程间通信-信号、消息队列、共享内存、信号灯

一、信号

1、概念:

  • Linux系统中的信号主要实现应用层和内核层之间的信号通知
  • 应用层与内核层之间通信的信号根据含义分为很多不同的信号
  • 信号主要用于多个进程任务间的事件通知
  • 信号可以用户异步通信

2、信号的类型:

  • 使用kill -l 查看信号类型

SIGINT:中止信号(可以从键盘输入)           ctrl + c
SIGQUIT:退出信号(可以从键盘输入)         ctrl + \
SIGKILL:杀死进程信号
SIGSEGV:段错误信号
SIGPIPE:管道破裂信号
SIGALARM:定时时间到达信号
SIGCHLD:子进程结束时,父进程回收到该信号
SIGCONT:继续执行进程任务
SIGSTOP:停止进程任务
SIGTSTP:挂起信号(可以从键盘输入)         ctrl + z
SIGIO:异步IO信号

3、信号的处理方式:

  • 缺省:信号来了,按照默认方式处理
  • 忽略:信号来了,不处理信号,忽略信号
  • 捕捉:信号来了,按照用户自己定义的方式处理信号
  • 注意:
    • 9号信号(SIGKILL)和19号信号(SIGSTOP)不能被忽略和捕捉

4、函数接口:

  •  signal

  • 练习:
    • 从终端输入 ctrl + c打印 SIGINT信号来了
    • 输入 ctrl + \打印 SIGQUIT信号来了
    • 输入 ctrl + z打印 SIGTSTP信号来了

#include "../head.h"

void handler1(int signo)
{
    printf("SIGINT信号来了\n");
    return;
}

void handler2(int signo)
{
    printf("SIGQUIT信号来了\n");
    return;
}

void handler3(int signo)
{
    printf("SIGTSTP信号来了\n");
    return;
}


int main(void)
{
    void (*pret1)(int) = NULL;
    void (*pret2)(int) = NULL;
    void (*pret3)(int) = NULL;

    pret1 = signal(SIGINT,handler1);
    if (handler1 == pret1)
    {
        perror("fail to signal");
        return -1;
    }

    pret2 = signal(SIGQUIT,handler2);
    if (handler2 == pret2)
    {
        perror("fail to signal");
        return -1;
    }

    pret3 = signal(SIGTSTP,handler3);
    if (handler3 == pret3)
    {
        perror("fail to signal");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        
    }


//杀死信号 ps -ef | grep a.out
//kill -9 信号名(数字-linux旁边那个)

    return 0;
}

  • alarm

  • kill

二、消息队列

1、IPC对象:

  • IPC对象可以理解为一种内存文件
  • IPC对象在操作系统关闭的情况下数据被回收掉
  • IPC对象可以通过文件系统来定位
  • 每个IPC对象可以创建一个消息队列、一个共享内存、一个信号

2、IPC对象操作命令:

  • 查看   ipcs
    • ipcs -q/m/s 消息队列/共享内存/信号灯ID
  • 删除   ipcrm
    • ipcrm -q/m/s 消息队列/共享内存/信号灯的ID
    • ipcrm -Q/M/S IPC对象的Key值

3、操作流程:

  • 创建/打开消息队列
  • 向消息队列中发送消息
  • 从消息队列中接收消息

4、函数接口:

  • ftok

  • msgget

  • msgsnd

  • msgrcv

函数类型是 ssize_t ,所以判断函数使用是否成功,类型也要是ssize_t ( ssize_t nret = 0; )

  • msgctl

三、共享内存

1、概念:

        进程空间是独立的,共享内存是开辟一段内核空间,进程都映射到这一片空间上,实现空间的共享、进程间通信最高效形式

2、操作方法:

        1. 创建IPC对象名称
        2. 创建共享内存
        3. 将进程空间地址映射到共享内存空间中
        4. 读写共享内存空间实现进程间通信
        5. 解除共享内存映射
        6. 删除共享内存

3、函数接口:

  • ftok:创建IPC对象
  • shmget

  • shmat

原型:void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
功能:
                将进程空间中的地址映射到共享内存中
参数:
                shmid:共享内存的ID号
                shmaddr: NULL:系统选择一个合适的地址进行映射
                shmflg:标志默认为0
                        
返回值:
                成功返回映射到共享内存空间中的地址
                失败返回(void *)-1

函数类型是viod *,所以定义变量接返回值的时候按需求定义

  • shmdt

  • shmctl

四、信号灯

1、 概念:

  • 搭配共享内存实现进程间通信
  • 主要用于多进程任务间的同步
  • 信号灯是一组信号量,即信号量的数组
  • 用于线程间通信的信号量称为无名信号量,信号灯是有名信号量

2、信号灯操作:

  • 创建信号量数组
  • 申请信号量
  • 释放信号量
  • 信号量的销毁

3、函数接口:

  • ftok
  • semget

  • semctl : 初始化

信号灯初始化时,四个参数,且需要将共用体加在全局变量中

原型:int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
功能:
                利用cmd实现对信号量的操作
参数:
                semid:信号量数组的ID号
                semnum:操作的信号量的下标
                cmd:IPC_RMID 删除信号量
                SETVAL 设置信号量的值
返回值:
                成功返回0
                失败返回-1
union semun {
        int val;                                 /* Value for SETVAL */
        struct semid_ds *buf;         /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
        unsigned short *array;         /* Array for GETALL, SETALL */
        struct seminfo *__buf;         /* Buffer for IPC_INFO
                                                        (Linux-specific) */
};

  • semop

可以申请释放信号量进行操作

原型:int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
功能:

                完成对一个信号量的操作
参数:
                semid:信号量数组的ID号
                sops:对信号量进行操作的空间的首地址
                nsops:对信号量进行操作的个数
返回值:
                成功返回0
                失败返回-1
unsigned short sem_num; /* semaphore number */:操作信号量的下标
short sem_op; /* semaphore operation */:+1 释放1个资源 -1申请1个资源
short sem_flg; /* operation flags */:SEM_UNDO 对信号量的操作在进程结束后撤销

  • semctl : 删除

原型:int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
功能:
                利用cmd实现对信号量的操作
参数:
                semid:信号量数组的ID号
                semnum:操作的信号量的下标
                cmd:IPC_RMID 删除信号量

返回值:
                成功返回0
                失败返回-1

}

五、练习

1、消息队列实现聊天

代码实现:

head.h

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#include <dirent.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>


#define my_fgets(filename) do { \
    fgets(filename, sizeof(filename), stdin); \
    filename[strlen(filename)-1] = '\0'; \
} while (0)

#endif

makefile

all:a b

a:1.c
    gcc $^ -o $@ -lpthread        //(链接thread库文件)
b:2.c
    gcc $^ -o $@ -lpthread

1.c

#include "../head.h"

typedef struct message{
    long mtype;
    char mtext[256];
}message_t;

pthread_t tidsend;
pthread_t tidrecv;
int msgid = 0;


void *sendfun(void *arg)
{
    int ret = 0;
    message_t send;

    while (1)
    {
        send.mtype = 100L;
        my_fgets(send.mtext); 
        ret = msgsnd(msgid,&send,sizeof(send.mtext),0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail ro msgsnd");
            return NULL;
        }
        if (send.mtext == ".quit")
        {
            break;
        }
    }
   
    return NULL;
}
void *recvfun(void *arg)
{
    int ret = 0;
    message_t recv;
    
    while (1)
    {
        ret = msgrcv(msgid,&recv,sizeof(recv.mtext),200L,0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail ro msgrcv");
            return NULL;
        }
        if (recv.mtext == ".quit")
        {
            break;
        }
        printf("RECV:%s\n",recv.mtext);

    
    }
    return NULL;
}
int main(void)
{
    key_t key;

    int ret = 0;

    key = ftok("/",'a');
    if (-1 == key)
    {
        perror("fail to ftok");
        return -1;
    }
    printf("IPC对象键值%#x\n",key);

    msgid = msgget(key,IPC_CREAT | 0664);
    if (-1 == msgid)
    {
        perror("fail to msgget");
        return -1;
    }


    printf("消息队列的ID:%d\n",msgid);

    pthread_create(&tidsend,NULL,sendfun,NULL);
    pthread_create(&tidrecv,NULL,recvfun,NULL);

    pthread_join(tidrecv,NULL);
    pthread_join(tidsend,NULL);

    msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);


    return 0;
}

2.c

#include "../head.h"

typedef struct message{
    long mtype;
    char mtext[256];
}message_t;

pthread_t tidsend;
pthread_t tidrecv;
int msgid = 0;


void *sendfun(void *arg)
{
    int ret = 0;
    message_t send;

    while (1)
    {
        send.mtype = 200L;
        my_fgets(send.mtext); 
        ret = msgsnd(msgid,&send,sizeof(send.mtext),0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail ro msgsnd");
            return NULL;
        }
        if (send.mtext == ".quit")
        {
            break;
        }
    }
   
    return NULL;
}
void *recvfun(void *arg)
{
    int ret = 0;
    message_t recv;
    
    while (1)
    {
        ret = msgrcv(msgid,&recv,sizeof(recv.mtext),100L,0);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail ro msgrcv");
            return NULL;
        }
        if (recv.mtext == ".quit")
        {
            break;
        }
        printf("RECV:%s\n",recv.mtext);

    
    }
    return NULL;
}
int main(void)
{
    key_t key;

    int ret = 0;

    key = ftok("/",'a');
    if (-1 == key)
    {
        perror("fail to ftok");
        return -1;
    }
    printf("IPC对象键值%#x\n",key);

    msgid = msgget(key,IPC_CREAT | 0664);
    if (-1 == msgid)
    {
        perror("fail to msgget");
        return -1;
    }
    printf("消息队列的ID:%d\n",msgid);

    pthread_create(&tidsend,NULL,sendfun,NULL);
    pthread_create(&tidrecv,NULL,recvfun,NULL);

    pthread_join(tidrecv,NULL);
    pthread_join(tidsend,NULL);

    msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);


    return 0;
}

结果

2、利用共享内存 实现一边写一边读

代码实现:

head.h

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#include <dirent.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>


#define my_fgets(filename) do { \
    fgets(filename, sizeof(filename), stdin); \
    filename[strlen(filename)-1] = '\0'; \
} while (0)

#endif

makefile

all:read write

read:read.c
    gcc $^ -o $@ -lpthread
write:write.c
    gcc $^ -o $@ -lpthread

read.c

#include "../head.h"

int main(void)
{
    key_t key;
    int shmid = 0;
    int ret = 0;
    char *pshmaddr = NULL;

    key = ftok("/",'a');
    if (0 == key)
    {
        perror("fail to ftok");
        return -1;
    }

    shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT | 0664);
    if (-1 == shmid)
    {
        perror("fail to shmget");
        return -1;
    }
    
    pshmaddr = shmat(shmid,NULL,0);
    if (NULL == pshmaddr)
    {
        perror("fail to shmat");
        return -1;
    }


    while (1)
    {
        if (0 == strcmp(pshmaddr,".quit"))
        {
            break;
        }
        printf("pshmaddr = %s\n",pshmaddr);
    }

    ret = shmdt(pshmaddr);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to shmdt");
        return -1;
    }
    
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);

    return 0;
}

write.c

#include "../head.h"

int main(void)
{
    key_t key;
    int shmid = 0;
    int ret = 0;
    char *pshmaddr = NULL;

    key = ftok("/",'a');
    if (0 == key)
    {
        perror("fail to ftok");
        return -1;
    }

    shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT | 0664);
    if (-1 == shmid)
    {
        perror("fail to shmget");
        return -1;
    }
    
    pshmaddr = shmat(shmid,NULL,0);
    if (NULL == pshmaddr)
    {
        perror("fail to shmat");
        return -1;
    }


    //my_fgets(pshmaddr); 可以接指针,但是指针大小8字节,那个宏不太合适
    while (1)
    {
        fgets(pshmaddr,4096,stdin);
        pshmaddr[strlen(pshmaddr)-1] = '\0';
        if (0 == strcmp(pshmaddr,".quit"))
        {
            break;
        }
    }

    ret = shmdt(pshmaddr);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to shmdt");
        return -1;
    }
    
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);

    return 0;
}

结果

3、利用共享内存和信号灯实现两个进程对共享内存的同步操作(写一次、读一次)

head.h

#ifndef __HEAD_H__
#define __HEAD_H__

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#include <dirent.h>
#include <sys/wait.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>


#define my_fgets(filename) do { \
    fgets(filename, sizeof(filename), stdin); \
    filename[strlen(filename)-1] = '\0'; \
} while (0)

#endif

makefile

all:read write

read:read.c
    gcc $^ -o $@ -lpthread  //使用多线程时makefile需要连接pthread库文件
write:write.c
    gcc $^ -o $@ -lpthread

read.c

#include "../head.h"

union semun {
    int              val;    /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                (Linux-specific) */
};

int main(void)
{
    key_t key;
    int semid = 0;
    int shmid = 0;
    int ret = 0;
    char *shmaddr = NULL;
    union semun myun;
    struct sembuf mybuf;

    //创建IPC对象
    key = ftok("/",'a');
    if (0 == key)
    {
        perror("fail to fotok");
        return -1;
    }


    //创建信号量
    semid = semget(key,2,IPC_CREAT | 0664); //权限不要忘记了
    if (-1 == semid)
    {
        perror("fail to semget");
        return -1;
    }


    //初始化读信号 信号量
    myun.val = 0; //读权限
    ret = semctl(semid,0,SETVAL,myun); //0:信号量编号
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to semctl");
        return -1;
    }


    //初始化写信号 信号量
    myun.val = 1;
    ret = semctl(semid,1,SETVAL,myun);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to semctl");
        return -1;
    } 


    //创建共享内存
    shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT | 0664);
    if (-1 == shmid)
    {
        perror("fail to shmid");
        return -1;
    }


    //将地址映射到内存文献中
    shmaddr = shmat(shmid,NULL,0); //NULL:系统选个合适位置进行映射
    if ((char *)-1 == shmaddr)
    {
        perror("fail to shmat");
        return -1;
    }


    while (1)
    {
        //申请读信号量
        mybuf.sem_num = 0; //信号量下标
        mybuf.sem_op = -1;
        mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;
        ret = semop(semid,&mybuf,1);//1:操作信号量个数
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail to semop");
            return -1;
        }


        //判断结束条件
        if (0 == strcmp(shmaddr,".quit"))
        {
            break;
        }


        //将读出结果打印
        printf("RECV:%s\n",shmaddr);


        //释放写的信号量
        mybuf.sem_num = 1;
        mybuf.sem_op = +1;
        mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;
        ret = semop(semid,&mybuf,1);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail to semop");
            return -1;
        }        

    }


    ret = shmdt(shmaddr);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to shmat");
        return -1;
    }

    ret = shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL); 
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to shmctl");
        return -1;
    }


    semctl(semid,0,IPC_CREAT,NULL);

    return 0;
}

write.c

#include "../head.h"

union semun {
    int              val;    /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
    unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */
    struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO
                                (Linux-specific) */
};

int main(void)
{
    key_t key;
    int semid = 0;
    int shmid = 0;
    int ret = 0;
    char *shmaddr = NULL;
    union semun myun;
    struct sembuf mybuf;

    //创建IPC对象
    key = ftok("/",'a');
    if (0 == key)
    {
        perror("fail to fotok");
        return -1;
    }


    //创建信号量
    semid = semget(key,2,IPC_CREAT | 0664); //权限不要忘记了
    if (-1 == semid)
    {
        perror("fail to semget");
        return -1;
    }


    //初始化读信号 信号量
    myun.val = 0; //读权限
    ret = semctl(semid,0,SETVAL,myun); //0:信号量编号
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to semctl");
        return -1;
    }


    //初始化写信号 信号量
    myun.val = 1;
    ret = semctl(semid,1,SETVAL,myun);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to semctl");
        return -1;
    } 


    //创建共享内存
    shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT | 0664);
    if (-1 == shmid)
    {
        perror("fail to shmid");
        return -1;
    }


    //将地址映射到内存文献中
    shmaddr = shmat(shmid,NULL,0); //NULL:系统选个合适位置进行映射
    if ((char *)-1 == shmaddr)
    {
        perror("fail to shmat");
        return -1;
    }


    while (1)
    {
        //申请写信号量
        mybuf.sem_num = 1;                        //信号量下标
        mybuf.sem_op = -1;
        mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;
        ret = semop(semid,&mybuf,1);        //1:操作信号量个数
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail to semop");
            return -1;
        }


        //接收写的内容
        fgets(shmaddr,4096,stdin);
        shmaddr[strlen(shmaddr)-1] = '\0';
       
        //释放读的信号量
        mybuf.sem_num = 0;
        mybuf.sem_op = +1;
        mybuf.sem_flg = SEM_UNDO;
        ret = semop(semid,&mybuf,1);
        if (-1 == ret)
        {
            perror("fail to semop");
            return -1;
        }


        //判断结束条件
        if (0 == strcmp(shmaddr,".quit"))
        {
            break;
        }        

    }


    ret = shmdt(shmaddr);
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to shmat");
        return -1;
    }

    ret = shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL); 
    if (-1 == ret)
    {
        perror("fail to shmctl");
        return -1;
    }


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