【Linux系统】理解进程间通信

1.理解层面

1.1为什么要进程间通信？？

• 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，通知它发生了某种事情（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（Debug进程）

1.2什么是通信？？

进程间通信是指在计算机系统中，运行在不同进程之间的数据交换和通信机制。由于每个进程都有自己的独立内存空间，因此进程间通信需要通过特定的机制来实现数据的共享和传递

1.3怎么通信？？

进程间通信的本质：是先让不同的进程，先看到同一份资源[“内存”]

1.4 具体通信的方式？？

• 基于文件的，管道通信
  • 匿名管道pipe
  • 命名管道
• System V ，本机通信
  • System V 消息队列
  • System V 共享内存
  • System V 信号量

2.管道

什么是管道？？

• 管道是Unix中最古老的进程间通信的形式
• 我们把从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”
  

3.匿名管道

#include<unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
参数：
	pipefd:文件描述符数组，其中pipefd[0]表示读端，pipefd[1]表示写端
	返回值：成功返回0，失败返回-1

//列子：查看pipefd对应的文件描述符
//testPipe.cc

#include <iostream>
#include <unistd.h>

int main()
{
    //1.创建管道
    int pipefd[2]={0};//pipefd[0] 读端  pipefd[1] 写端
    int n=pipe(pipefd);
    if(n<0)
    {
        perror("pipe fail");
        exit(1);
    }

    std::cout<<"pipefd[0]: "<<pipefd[0]<<std::endl;
    std::cout<<"pipefd[1]: "<<pipefd[1]<<std::endl;
}

//运行结果：
$ ./testPipe
pipefd[0]: 3
pipefd[1]: 4

3.1 用fork来共享管道

//测试样例：测试管道的读写
//让父进程读，子进程写
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>

void ChildWrite(int wfd)
{
    char buff[1024];
    int cnt=0;
    while(true)
    {
        snprintf(buff,sizeof(buff),"I am child,my pid:%d,cnt: %d\n",getpid(),cnt++);
        write(wfd,buff,strlen(buff));
        sleep(1);
    }
}
void FatherRead(int rfd)
{
    char buff[1024];
    while(true)
    {
        buff[0]=0;
        ssize_t n=read(rfd,buff,sizeof(buff)-1);
        if(n>0)
        {
            buff[n]=0;
            std::cout<<"father say: "<<buff<<std::endl;
        }
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    // 1.创建管道
    int pipefd[2] = {0}; // pipefd[0] 读端  pipefd[1] 写端
    int n = pipe(pipefd);
    if (n < 0)
    {
        perror("pipe fail");
        exit(1);
    }

    std::cout << "pipefd[0]: " << pipefd[0] << std::endl;
    std::cout << "pipefd[1]: " << pipefd[1] << std::endl;

    // 2.创建子进程
    pid_t id =fork();
    if(id<0)
    {
        perror("fork fail");
        exit(1);
    }
    else if(id==0)
    {
        //child
        //3.关闭不需要的读端，形成通信
        close(pipefd[0]);
        ChildWrite(pipefd[1]);
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }
    else
    {
        //father
        //3.关闭不需要的写端，形成通信
        close(pipefd[1]);
        FatherRead(pipefd[0]);
        close(pipefd[0]);
    }
}

//查看运行结果：
$ ./testPipe
pipefd[0]: 3
pipefd[1]: 4
father say: I am child,my pid:1670938,cnt: 0

father say: I am child,my pid:1670938,cnt: 1

father say: I am child,my pid:1670938,cnt: 2

father say: I am child,my pid:1670938,cnt: 3

father say: I am child,my pid:1670938,cnt: 4

father say: I am child,my pid:1670938,cnt: 5
...

3.2 特性

• 匿名管道，只能用来进行具有血缘关系的进程进行进程间通信（常用于父子）
• 管道文件，自带同步机制
• 管道是单向通信的
• （管道）文件的生命周期，是随进程的
• 管道是面向字节流的，意味着数据以字节为单位字管道中传输

3.3 通信情况

• 写慢，读快 —读端就要阻塞（进程）

• 写快，读慢 —满了的时候，写就要阻塞等待
  

• 写关，继续读 —read就会读到返回值为0，表示文件结尾

• 读关闭，写继续 —写端在写入没有任何意义，OS会杀掉写端进程，发送异常信号

4.命名管道

• 让2个不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这个工作，它叫做命名管道
• 命名管道是一种特殊类型的文件

4.1 创建一个命名管道

# 从命令行上创建
$ mkfifo filename

#从程序里创建
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

4.2 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函数创建，open打开
• 匿名管道只能在具有血缘关系的进程里进行进程间通信
• 命名管道可以用来进行不相关的进程的进程间通信

5.System V 共享内存

• 共享内存是进程间通信中，速度最快的方式(优点)：
  • 映射之后，读写，直接被对方看到
  • 不需要进行系统调用获取或者写入
• 共享内存没有保护机制（缺点）：
  • 通信双方，没有所谓的“同步机制”
  • 数据不一致
    

5.1 共享内存函数

• shmget函数

功能：用来创建共享内存
原型：
	int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数：
	key：这个共享内存段名字
	size：共享内存大小
	shmflg：权限标志
		取值IPC_CREAT:共享内存不存在，创建并返回；共享内存已存在，获取并返回
		取值IPC_CREAT|IPC_EXCL：共享内存不存在，创建并返回；共享内存已存在，出错返回
返回值：
	成功返回一个非负整数，即共享内存标识码；失败返回-1

• shmat函数

功能：将共享内存段连接到进程地址空间
原型：
	void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数：
	shmid：共享内存标识
	shmaddr：虚拟地址，固定地址进行挂接
	shmflg：它的2个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值：
	成功返回起始的虚拟地址；失败返回-1

• shmdt函数

功能：将共享内存段与当前进程脱离
原型：
	int shmdt(const void *shmaddr);
参数：
	shmaddr:由shmat所返回的指针
返回值：
	 成功返回0；失败返回-1
注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

• shmctl函数

功能：用于控制共享内存
原型： 	
	int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数：
	shmid：由shmget返回的共享内存标识码
	cmd：要采用的行动
	buf：指向一个保存着共享内存模式状态和访问权限的数据结构
返回值：
	成功返回0；失败返回-1

命令(cmd)	说明
IPC_STAT	把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值
IPC_SET	在进程有足够权限的前提下，把共享内存的当前关联值设置成shmid_ds数据结构中给出的值
IPC_RMID	删除共享内存段