详解IPC中的管道和共享内存

管道

分类：命名管道和匿名管道

• 命名管道：可以用于本机上的任意进程间通信
• 匿名管道：只适用于拥有亲缘关系的进程间通信

本质：是内核中开辟的一块缓冲区

特性：

• 读写特性：当一个进程读或者写时，其他进程不能读或者写
• 自带同步与互斥
• 半双工通信：数据只能向一段发送数据，若要双方通信，则要使用两个管道
• 提供字节流服务
• 生命周期随进程

匿名管道

原型

int pipe(int fd[2]);

fd：文件描述符数组，其中fd[0]表示读端，fd[1]表示写端

成功返回0，失败返回错误代码

//从键盘读取数据，写入管道，读取管道，写到屏幕
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main( void )
{
    int fds[2];
    char buf[100];
    int len;
    if ( pipe(fds) == -1 )
        perror("make pipe"),exit(1);
    // read from stdin
    while ( fgets(buf, 100, stdin) ) {
        len = strlen(buf);
        // write into pipe
        if ( write(fds[1], buf, len) != len ) {
            perror("write to pipe");
            break;
       }
        memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
        
        // read from pipe
        if ( (len=read(fds[0], buf, 100)) == -1 ) {
            perror("read from pipe");
            break;
       }
        // write to stdout
        if ( write(1, buf, len) != len ) {
            perror("write to stdout");
            break;
       }
   }
}

 用fork来共享管道原理

 

站在文件描述符角度深度理解管道

站在文件描述符角度看待这个问题之前，我们要理解一件事情，文件描述符的分配规则是最小未使用，0是标准输入，对应键盘，1是标准输出，对应显示器，2是标准错误，对应显示器，所以假设这里的进程未使用其他文件操作符，所以按照操作系统的分配规则，会给fd[0]分配3，fd[1]分配4

站在内核角度，看待管道本质

所以说，内核看待管道也是如同文件一样，管道的使用同文件一致，这也就符合Linux下一切皆文件的思想

 

管道的读写特性

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。

匿名管道特点

只能用于具有共同祖先的进程（据有亲缘关系的进程）之间进行通信，通常，一个管道由一个进程创建，然后由这个管道fork一个子进程，此后父子进程就可以应用该管道

管道提供流式服务

一般而言，进程退出，管道销毁，生命周期随进程

一般而言，内核会对管道操作同步和互斥

管道是半双工的，一般只能有一个进程向另一个进程发送消息，如果要两个进程互发消息，则需要创建两个管道

命名管道

匿名管道应用的一个限制就是只能在具有亲缘间关系的进程间通信，如果我们想要在不同进程间进行通信，就需要借助FIFO文件，它也被叫做命名管道，可以在命令行创建，也可以在程序内部创建，在命令行用mkfifo name创建，在程序内部借助函数

int mkfifo(const char* name ,mode_t mode);创建

匿名管道和命名管道的区别

• 匿名管道由pipe函数创建并打开
• 命名管道由mkfifo创建，用open打开
• FIFO（命名管道）和pipe（匿名管道）除了创建和打开的操作不同之外，之后的语义操作完全相同

 

共享内存

共享内存是IPC中最快的形式，这是因为共享内存是内存上的一块空间，少了两次用户态和内核之间的数据拷贝，所以是最快的

本质：在内存空间开辟一片空间，然后将这块地址映射到各个进程的进程空间中

消息队列

消息队列提供了一个从一个进程向另一个进程发送一块数据的方法

每个数据块都被认为是有一个类型，接收者进程接收的数据块可以由不同的类型值

信号量

信号量主要用于同步与互斥

由于各进程要求共享资源，而且有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种

关系为进程的互斥

系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源。

在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区

注意

IPC是系统资源，所以我们在使用他们之后，一定要记得删除掉，否则不会自动清除，除非重启，所以system V IPC资源的生命周期随内核

那么system V IPC有哪些呢？

消息队列，共享内存，信号量