Linux 进程间通信（IPC）_linux ipc通信-优快云博客

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文章目录

进程间通信介绍
管道
system V共享内存

进程间通信介绍

进程间通信的概念

进程间通信（ipc), 指不同进程之间的信息传输或交换。

进程间通信的目的

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
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（它们）发生了某种事件（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（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。

进程间通信的本质理解

我们知道进程间具有独立性，因为写时拷贝存在，父子进程之间向持续性的交换数据是不可能的。如果想让两个进程通信，必须先让不同的进程看到同一份资源作为数据交换的场所。

进程间通信分类

管道：

匿名管道
命名管道

System V IPC

System V 消息队列
System V 共享内存
System V 信号量

POSIX IPC

消息队列
共享内存
信号量
互斥量
条件变量
读写锁

注意：针对以上分类，我们主要对管道和共享内存详细学习。

管道

什么是管道

管道是Unix中最古老的进程间通信的形式，将数据单项传输，是一种单向通信的方式。
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”。

匿名管道

匿名管道的原理

匿名管道通信原理：进程之间通过管道进行通信。

主要步骤如下：
假设，我们让父进程对目标文件写入数据，子进程对目标文件读取数据。

那么此时父进程通过files_struct中的四号文件描述符（关闭三号文件描述符）找到struct_file文件指针，再通过inode找到目标文件加载到物理内存中文件缓冲区的数据。
子进程通过files_struct中的三号文件描述符（关闭四号文件描述符）找到struct_file文件指针，再通过inode找到目标文件加载到物理内存中文件缓冲区的数据。
综上，此时父子进程就看到了同一份“资源”，父子进程进而可以对该文件进行写，读。操作，从而父子进程打实现进程间通信。

在这里插入图片描述

注意：

在创建父子进程的时候进程相关数据结构需要重新拷贝，被打开文件相关内核结构不会被拷贝。因为fork函数只是为了创建子进程，不会对文件相关数据结构作拷贝。
此时父子进程看到的同一份文件资源，并对其进行写，读操作，并不会发生写时拷贝，因为被打开文件内核数据结构是由操作系统维护的，不受进程维护。
文件描述符意义：0:标准输入，1:标准输出，2:标准错误，3:读文件描述符，4:写文件描述符。
进程间通信是内存级通信，不需要将数据写入到磁盘文件中，因为反复的IO会降低效率，也没有必要。

pipe函数

pipe函数一般用于创建匿名管道，pipe函数原型如下：

int pipe( int fd[2] )

参数：
fd：文件描述符数组，其中fd[0]代表读端，fd[1]代表写端。

返回值：
成功返回0，失败返回-1.

实践代码：

//父进程写入文件，子进程读取文件

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
using namespace std;
int main()
{
   
    //创建管道
     int pipefd[2] = {
    0 }; //pipefd[0]: 读端 //pipefd[1]: 写端.
     
     int n = pipe( pipefd );
     
     assert( n !=- 1 );

     (void)n;

    //创建子进程。
    pid_t id = fork();

    assert( id != -1 );

    if( id == 0 )      //子进程,子进程读取。
    {
   
            
        close(pipefd[1]);
        
        char buffer[1024];

        while( true )   //先将数据读取到缓冲区中打印出来。
        {
   
            ssize_t s = read( pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
            
            if( s > 0 )
            {
   
                buffer[s] = '\0';
                
                cout << " child get a message[" << getpid() <<"] father#" << buffer << endl; 
            }
        }
        exit(0);
    }
    
     close(pipefd[0]);  //父进程，父进程写入。
     
     string message = "我是父进程，我正在给你发信息";

     int count = 0; 

     char send_buffer[1024];  

     while( true )
     {
   
          snprintf( send_buffer,sizeof(send_buffer), "%s: %d",message.c_str(),count++ );

          write(pipefd[1],send_buffer,strlen(send_buffer));

          sleep(1);
     }
     
     pid_t ret = waitpid(id,nullptr,0);

     (void ) ret;
     
     assert(ret > 0 );
    
     return 0;
}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

管道的特点

1 . 管道一般用来具有血缘关系的进程用来进程间通信---->常用于父子进程。

2 .管道具有通过让进程间协同，进而提供访问控制。

如果父进程写数据慢（每一次写入暂停10秒），子进程读取数据快，那么子进程便会等待父进程将数据写入后再读取（子进程也暂停10秒）。
但是如果父进程写得快，子进程读得慢(每读一次暂停10秒)，这样父进程在缓冲区写满之后就不会继续写了，等子进程将数据全部读完，父进程再进行写入。

3.管道提供的是面向流式的通信服务（面向字节流,写一条都一条,如果写得快,读的慢,那么就会一次性读取数据）。

4.管道是基于文件的，文件的生命周期是基于进程的，从而管道的生命周期跟随于进程。如果在通信过程中，父子进程都退出，那么文描述符便会被关闭，管道也会自动退出。
例如，当父进程写入文件10次后便关闭文件描述符退出，而子进程此时read的返回值便会为零，那么子进程也会退出。

int main()
{
   
    //创建管道
     int pipefd[2] = {
    0 }; //pipefd[0]: 读端 //pipefd[1]: 写端.
     
     int n = pipe( pipefd );
     
     assert( n !=- 1 );

     (void)n;

    //创建子进程。
    pid_t id = fork();

    assert( id != -1 );

    if( id == 0 )      //子进程,子进程读取。
    {
   
            
        close(pipefd[1]);
        
        char buffer[1024];

        while( true )   //先将数据读取到缓冲区中打印出来。
        {
   
            ssize_t s = read( pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);
            
            if( s > 0 )
            {
   
                buffer[s] = '\0';
                
                cout << " child get a message[" << getpid() <<"] father#" << buffer << endl; 
            }
            
            else if(  s == 0 )
            {
   
                cout <<  "writer quit, i quit" << endl;
                
                break;
            }
        }
        
        close(pipefd[0]);

        exit(0);                       
    }
    
     
    
     close(pipefd[0]);  //父进程，父进程写入。
     
     string message = "我是父进程，我正在给你发信息";

     int count = 0; 

     char send_buffer[1024];  

     while( true )
     {
   
          snprintf( send_buffer,sizeof(send_buffer), "%s: %d",message.c_str(),count++ );

          write(pipefd[1],send_buffer,strlen(send_buffer));

          sleep(1);

          cout << count << endl;

          if( count == 10 )
          {
   
                cout << "writer quit(father)" << endl;
                break;
          }
     }
     close( pipefd[1]);              //父进程准备退出，关闭文件描述符。

     pid_t ret = waitpid(id,nullptr,0);

     (void ) ret;
     
     assert(ret > 0 );

     return 0;
}

运行结果如下：
在这里插入图片描述
5.管道是单项通信，本质上就是半双工通信的一种特殊情况，通信双方中，一方固定为读端，一方固定为写端。

6.两种特殊情况。

父进程写端关闭，子进程读0，那么表示读到了文件结尾。
子进程读端关闭，父进程继续读取，OS也会终止写进程。

命名管道

命名管道的原理

由于匿名管道应用的一个限制就是只能在具有共同祖先（具有亲缘关系）的进程间通信。一般情况下，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父子进程之间便可以通信。
如果我们想在不相关的进程之间交换数据，可以使用FIFO文件来做这项工作。我们可以让两个进程打开该文件，此时进而让两个进程看到了同一份“资源”，进而实现进程通信。

注意：