Linux 进程间通信总结

最新推荐文章于 2023-01-03 22:50:18 发布

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#操作系统 #运维 #shell

本文详细介绍了管道（包括匿名管道和命名管道FIFO）的概念、特点及其使用场景，并对比了System V共享内存与mmap机制在进程间通信中的不同之处。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

PIPE管道

属于匿名管道，这个通信管道通过pipe(int filedes[2])系统调用而创建，filedes[0]代表读端，filedes[1]代表写端,

利用文件描述符管理，只能在具有亲缘关系的进程之间使用（父子，兄弟），通常由父进程创建，父子兄弟间通过该管道通信；
管道是半双工通信，数据只能向一个方向流动；需要双方通信，则需要建立两个管道；
管道借用了文件描述符，但是它不是真正的文件，它的存在是暂时的；
在利用pipe()进行通信时需要注意在适当的时候关闭通信管道的读写端，即写时关读端，读时关写端；
管道是一种队列，先进先出，读出的数据将被抛弃，不可恢复；
如果试图写一个读端已经关闭的的管道，会产生SIGPIPE信号，对信号的默认处理会导致write出错返回，errno=EPIPE；
管道能暂存的最大数据由PIPE_BUF定义。

FIFO

又叫做命名管道，由于FIFO在文件基础上为管道提供了命名服务，FIFO通过一个真实的文件名来访问

可以用于无亲缘关系间进行的通信
原始UNIX管道只在操作期间存在于内存，而FIFO可以永久的存储在硬盘上
创建这种FIFO可以通过Shell Command "mkfifo" 或者 System Call "mkfifo"
FIFO可以使用标准I/O函数（read,write,close,open,unlink）
当open调用打开FIFO后，FIFO具有和匿名管道同样的功能，当管道为空时，read()阻塞；当管道满的时候，write()阻塞；如果使用fcntl()函数设置O_NONBLOCK标志后，将引起read和write立即返回
如果写一个尚无为读而打开的FIFO，则产生SIGPIPE信号，若最后一个写进程关闭FIFO，则将为该FIFO的读进程产生一个文件结束标志

System V IPC

三种：共享内存(Shared Memory)，消息队列(Message Queue)，信号量(Semaphore)
都通过IPC标识符 标识
IPC关键字
IPC权限管理 ipc_perm结构体 msgctl() semctl() shmctl()
System V IPC对象在系统范围内起作用，一个IPC对象可以超出创建它的程序的生命期。因此，Linux提供专门的命令操作IPC对象
如msgget semget shmget
相关命令ipcs(查询System V IPC对象) ipcrm(删除某个System V IPC对象)

共享内存(Shared Memory)

shmget() 用来获得共享内存区域的ID，如果不存在指定的共享区域就创建相应的区域
shmat()
把共享内存区域映射到调用进程的地址空间中去
shmdt()
解除进程对共享内存区域的映射
shmctl()
实现对共享内存区域的控制操作

消息队列(Message Queue)

msgget()
msgctl()
msgsnd()
msgrcv()

信号量(Semaphore)

semget()
semop()
semctl()

Linux共享内存机制

mmap()

The mmap function maps either a file or a Posix shared memory object into the address space of a process.We use this function for three purposes:
1. with a regular file to provide memory-mapped I/O
2. with special files to provide anonymous memory mappings
3. with shm_open to provide Posix shared memory between unrelated processes

mmap系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而 Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。
mmap系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。

我们的程序中大量运用了mmap，用到的正是mmap的这种“像访问普通内存一样对文件进行访问”的功能。实践证明，当要对一个文件频繁的进行访问，并且指针来回移动时，调用mmap比用常规的方法快很多。
来看看mmap的定义：
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由open()返回，同时，fd可以指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射（不涉及具体的文件名，避免了文件的创建及打开，很显然只能用于具有亲缘关系的进程间通信）。

len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。

prot参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或：PROT_READ（可读）,PROT_WRITE（可写）,PROT_EXEC（可执行）,PROT_NONE（不可访问）。

flags由以下几个常值指定：MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_FIXED。其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必选其一，而MAP_FIXED则不推荐使用。
如果指定为MAP_SHARED，则对映射的内存所做的修改同样影响到文件。如果是MAP_PRIVATE，则对映射的内存所做的修改仅对该进程可见，对文件没有影响。

offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射。

参数addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，一般被指定一个空指针，此时选择起始地址的任务留给内核来完成。函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。

这里不再详细介绍mmap的参数，读者可参考mmap手册页或者《Unix Netword programming》卷二12.2节获得进一步的信息。
最后，举个例子来结束本节。4.2节说过，Fileinformation数组是以二进制的形式写进一个叫inforindex的文件中。那么，当要访问Fileinformation数组时，代码类似这样：

struct stat st;
char buffer=” inforindex”;
Fileinformation *_fileinfoIndexptr = NULL;
if(stat(buffer,&st)<0)
{
fprintf(stderr,"error to stat %s/n",buffer);
exit(-1);
}
// mmap the inforindex to _fileinfoIndexptr
int fd=open(buffer, O_RDONLY);
if(fd<0)
{
printf("error to open %s/n",buffer);
exit(-1);
}
_fileinfoIndexptr = (Fileinformation*)mmap(NULL,st.st_size, PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);

if(MAP_FAILED == _fileinfoIndexptr)
{
printf("error to mmap %s/n",buffer);
close(fd);
exit(-1);
}
close(fd);