Linux-内核篇之进程间的通讯

最新推荐文章于 2025-03-29 14:24:25 发布

Gentleman_Lh

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文章标签： linux unix 服务器

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_17291423/article/details/124560048

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Linux-内核篇之进程间的通讯

1.什么是进程间的通讯(ipc)

多个进程间的数据传输
资源共享
事件通知
进程控制

Linux系统下的ipc

早期unix系统ipc
- 管道
- 信号
- fifo（有名管道）
system-v ipc
- 消息队列
- 信号量
- 共享内存
socket ipc （BSD）
posix ipc
- 消息队列
- 信号量
- 共享内存
  
  2.无名管道
  
  需要PIPE函数
  
  PIPE函数:
  
  头文件：#include <unistd.h>
  
  函数原型：int pipe（int pipefd[2]） pipefd[2]–文件描述符数组
  
  返回值：成功 0 失败-1
  
  特点：
  - 特殊文件（没有名字），无法open但是可以使用close
  - 只能通过子进程继承文件描述符的形式来使用
  - write与read操作会阻塞进程
  - 所有文件描述符被关闭后，无名管道被销毁
  使用步骤：
  1. 父进程pipe无名管道
  2. fork子进程
  3. close无用端
  4. write/read读写端口
  5. close读写端口

特点：

无名管道:管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。

单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。（有点像队列哈）

调用fork之后做什么取决于我们想要有的数据流的方向。对于从父进程到子进程的管道，父进程关闭管道的读端（fd[0]），子进程则关闭写端，因为此时有两个读取端和写入端。

没有名字，因此不能使用open函数打开，但可以使用close函数关闭。
只提供单向通信（半双工），也就是说，两个进程都能访问这个文件，假设进程1往文件内
写东西，那么进程2就只能读取文件的内容。
只能用于具有血缘关系的进程间通信，通常用于父子进程建通信。
管道是基于字节流来通信的。
依赖于文件系统，它的生命周期随进程的结束而结束。
写入操作不具有原子性，因此只能用于一对一的简单通信情形。
管道也可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read（）和write(0等函
数。但是它又不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内核的内存空
间中，因此不能使用Iseek0来定位。

2. 有名管道

头文件：#include <sys/types.h>

#include <sys/state.h>

函数原型： int mkfifo（const char *filename,mode_t mode）

返回值：

成功 0

失败 -1

特点：

有文件名可以用open函数打开
任意进程之间传输
write 与read 可能会阻塞进程
write 具有原子性

使用步骤：

第一个进程mkfifo创建有名管道
open有名管道 write/read数据
close 有名管道
第二个进程open有明管道
close有名管道

注：文件描述符（file descriptor）是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引。

一些函数：

open函数:
- open函数在Linux下一般用来打开或者创建一个文件，我们可以根据参数来定制我们需要的文件的属性和用户权限等各种参数。
- ```
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
```
  返回值：open函数的返回值如果操作成功，它将返回一个文件描述符，如果操作失败，它将返回-1。
  
  参数：pathname:文件绝对路径或者文件名（当前路径下）
  
  flags: 表示打开文件的操作
  - ```
  - O_RDONLY：只读模式
  - O_WRONLY：只写模式
  - O_RDWR：可读可写
```

以上三个必选。

- O_APPEND 表示追加，如果原来文件里面有内容，则这次写入会写在文件的最末尾。
- O_CREAT 表示如果指定文件不存在，则创建这个文件
- O_EXCL 表示如果要创建的文件已存在，则出错，同时返回 -1，并且修改 errno 的值。
- O_TRUNC 表示截断，如果文件存在，并且以只写、读写方式打开，则将其长度截断为0。
- O_NOCTTY 如果路径名指向终端设备，不要把这个设备用作控制终端。
- O_NONBLOCK 如果路径名指向 FIFO/块文件/字符文件，则把文件的打开和后继 I/O设置为非阻塞模式（nonblocking mode）
- O_DSYNC 等待物理 I/O 结束后再 write。在不影响读取新写入的数据的前提下，不等待文件属性更新。
- O_RSYNC read 等待所有写入同一区域的写操作完成后再进行
- O_SYNC 等待物理 I/O 结束后再 write，包括更新文件属性的 I/O

以上三个是可选的通过 | 即位或写在必选后面

mode:

mode参数表示设置文件访问权限的初始值，和用户掩码umask有关，比如0644表示-rw-r–r–，也可以用S_IRUSR、S_IWUSR等宏定义按位或起来表示，详见open(2)的Man Page。要注意的是，有以下几点

文件权限由open的mode参数和当前进程的umask掩码共同决定。
第三个参数是在第二个参数中有O_CREAT时才作用，如果没有，则第三个参数可以忽略
access函数：
- 检查文件是否可以进行某种操作
- int access(const char* pathname, int mode);

pathname 是文件的路径名+文件名

	    mode：指定access的作用，取值如下

F_OK 值为0，判断文件是否存在

X_OK 值为1，判断对文件是可执行权限

W_OK 值为2，判断对文件是否有写权限

R_OK 值为4，判断对文件是否有读权限

注：后三种可以使用或“|”的方式，一起使用，如W_OK|R_OK
返回值：成功0，失败-1

write 与 read函数

include <unistd>
write(int filedes, void *buf, size_t nbytes);
// 返回：若成功则返回写入的字节数，若出错则返回-1
// filedes：文件描述符
// buf:待写入数据缓存区
// nbytes:要写入的字节数

read(int filedes, void *buf, size_t nbytes);
// 返回：若成功则返回读到的字节数，若已到文件末尾则返回0，若出错则返回-1
// filedes：文件描述符
// buf:读取数据缓存区
// nbytes:要读取的字节数

　有几种情况可使实际读到的字节数少于要求读的字节数：

　　1）读普通文件时，在读到要求字节数之前就已经达到了文件末端。例如，若在到达文件末端之前还有30个字节，而要求读100个字节，则read返回30，下一次再调用read时，它将返回0（文件末端）。

　　2）当从终端设备读时，通常一次最多读一行。

　　3）当从网络读时，网络中的缓存机构可能造成返回值小于所要求读的字结束。

　　4）当从管道或FIFO读时，如若管道包含的字节少于所需的数量，那么read将只返回实际可用的字节数。

　　5）当从某些面向记录的设备（例如磁带）读时，一次最多返回一个记录。

　　6）当某一个信号造成中断，而已经读取了部分数据。

注：write与read函数会造成进程阻塞

3.信号

**信号简介：**信号（signal），又称为软中断信号，用于通知进程发生了异步事件，它是 Linux 系统响应某些条件而产生的一个事件，它是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。

信号的产生：

硬件：
- 执行非法命令
- 访问非法内存
- 驱动程序
软件：
- 控制台
  - ctrl+c:中断信号
  - ctrl+l:退出信号
  - ctrl+z:停止信号
- kill命令
- 程序调用kill()函数

进程的处理方式：

忽略：进程信号从未发生过
捕获：进程会调用相应的处理函数进行处理
默认：使用系统默认处理方式处理

信号的处理与发送：

使用三个函数：signal kill raise三个函数

signal：
- 头文件：signal.h
- 函数原型：typedef void(*sighandler_t)(int)
  
  sighander_t signal(int signum,sighandler_t handler)
- 参数：
  - signum：要设置的信号
  - handler:
    - SIG_IGN：忽略
    - SIG_DFL：默认
    - void （*sighandler_t）（int）：自定义
- 返回值：
  - 成功：上一)次设置的handler
  - 失败：SIG_ERR
kill函数：向进程发送信号
- 函数原型：
  - int kill(pid_t pid,int sig)
- 参数：
  - pid：进程ID
  - sig：要发送的信号
- 返回值：
  - 成功：0
  - 失败：-1
raise函数：向自身发送信号
- 函数原型：int raise(int sig)
- 参数：sig信号
- 返回值：
  - 成功0
  - 失败-1
注：

exit()函数：

功能：为退出程序的函数

用法：
```
   exit(1);  为异常退出     //只要括号内数字不为0都表示异常退出

   exit(0);  为正常退出
```
注意：括号内的参数都将返回给操作系统;
```
      return() 是返回到上一级主调函数，不一定会退出程序;
```
进程一旦调用了wait，就会立刻阻塞自己，由wait分析当前进程中的某个子进程是否已经退出了，如果让它找到这样一个已经变成僵尸进程的子进程，wait会收集这个子进程的信息，并将它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait会一直阻塞直到有一个出现。

sigaction函数：

函数原型：int sigaction(int sigum, const truct sigaction *act, struct sigaction *oldact)
参数介绍：
- signum：捕获信号的值名称或者数字
- act：一个结构体内容如下
  - ```
  struct sigaction{
  					void (*sa_handler)(int);
  					void (*sa_sigaction)(int,siginfo_t *，void *);
  					sigset_t sa_mask;
  					int sa_flags;
  					void (*sa_restorer)(void);
  				}
```
  - sa_handler:信号处理函数
  - sa_sigaction：拓展信号处理函数
  - sa_mask：信号掩码它指定了在执行信号处理函数期间阻塞的信号的掩码，被设置
    在该掩码中的信号，在进程响应信号期间被临时阻塞。除非使用 SA_NODEFER 标志，否则即使是当前正在处理的响应的信号再次到来的时候也会被阻塞
  - sa_flags：指定一些列用于修改信号处理过程的行为标志，由下面0个或多个标志组合而成
    - ∗SA_NOCLDSTOP：如果 signum 是 SIGCHLD，则在子进程停止或恢复时，不会传信
      号给调用 sigaction() 函数的进程。即当它们接收到 SIGSTOP、 SIGTSTP、 SIGTTIN
      或 SIGTTOU（停止）中的一种时或接收到 SIGCONT（恢复）时，父进程不会收到
      通知。仅当为 SIGCHLD 建立处理程序时，此标志才有意义。
    - SA_NOCLDWAIT：它表示父进程在它的子进程终止时不会收到 SIGCHLD 信号，
      这时子进程终止则不会成为僵尸进程。
    - SA_NODEFER：不要阻止从其自身的信号处理程序中接收信号，使进程对信号的
      屏蔽无效，即在信号处理函数执行期间仍能接收这个信号，仅当建立信号处理程
      序时，此标志才有意义。
    - SA_RESETHAND：信号处理之后重新设置为默认的处理方式。
    - SA_SIGINFO：指示使用 sa_sigaction 成员而不是使用 sa_handler 成员作为信号处理
      函数。
  - oldact：返回原有的信号处理参数一般设置为NULL
    
    具体使用如下

alarm函数：

alarm() 也称为闹钟函数，它可以在进程中设置一个定时器，当定时器指定的时间 seconds 到时，
它就向进程发送 SIGALARM 信号。其函数原型如下：
unsigned int alarm(unsigned int seconds);
如果在 seconds 秒内再次调用了 alarm() 函数设置了新的闹钟，则新的设置将覆盖前面的设置，即
之前设置的秒数被新的闹钟时间取代。它的返回值是之前闹钟的剩余秒数，如果之前未设闹钟则
返回 0。特别地，如果新的 seconds 为 0，则之前设置的闹钟会被取消，并将剩下的时间返回。

4.信号集处理函数

屏蔽信号：

手动
自动

未处理信号集：

信号如果被屏蔽，则记录在未处理信号集中

非实时信号（1~31）不排队，值保留一个
实时信号（34~64）排队，保留全部

非实时信号：

在以下程序中如果在不停发出信号则剩余的信号不会被处理会被屏蔽掉。

实时信号：

以下是实时信号，信号全被保留且排队执行

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-A6z6rTGQ-1651577307171)(C:/Users/LH/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20220411151254837.png)]

手动处理相关信号集api:

int sigemptyset(sigset_t *set);
- 将信号集合初始化为0 清空信号集
int sigfillset(sigset_t *set);
- 将信号集合初始化伪1 包含所有信号
int sigaddset(sigset_t *set,int signum);
- 将信号集合某一位设置为1 包函某一个信号
int sigdelset(sigset_t *set,int signum);
- 将信号集合某一位设置为0 去掉某个信号
int sigprocmask(int how,const sigset_t*set,sigset_t *oldset);
- 使用设置好的信号集去修改信号屏蔽集
- 参数how:
  - SIG _BLOCK:屏蔽某个信号（屏蔽集|set)
  - SIG_UNBLOCK:打开某个信号（屏蔽集&(-set)) 解除屏蔽
  - SIG_SETMASK:屏蔽集=set
- 参数oldset:保存就的屏蔽集的值，NULL表示不保存

![(C:\Users\LH\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220411153542860.png)

将信号集合某一位设置为1 包函某一个信号
int sigdelset(sigset_t *set,int signum);
- 将信号集合某一位设置为0 去掉某个信号
int sigprocmask(int how,const sigset_t*set,sigset_t *oldset);
- 使用设置好的信号集去修改信号屏蔽集
- 参数how:
  - SIG _BLOCK:屏蔽某个信号（屏蔽集|set)
  - SIG_UNBLOCK:打开某个信号（屏蔽集&(-set)) 解除屏蔽
  - SIG_SETMASK:屏蔽集=set
- 参数oldset:保存就的屏蔽集的值，NULL表示不保存

[外链图片转存中…(img-CXNZnWNt-1651577307174)]

![(C:\Users\LH\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20220411153542860.png)

[外链图片转存中…(img-3VBMB2BM-1651577307176)]