linux编程：进程间通信_execlp("wc","wc","-l",null);-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_36472340/article/details/133049283

IPC方法

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。

在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

① 管道 (使用最简单)

② 信号 (开销最小)

③ 共享映射区 (无血缘关系)

④ 本地套接字 (最稳定)

管道

管道的概念：

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。

Ulimit -a

Pipesize 512*4

管道的局限性：

① 数据自己读不能自己写。

② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。

③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。

④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。有血缘关系的进程

常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。单工通信只能接收或是只能发送。

pipe函数

创建管道

int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失败：-1，设置errno

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？通常可以采用如下步骤：

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

例子：父子进程使用管道通信，父写入字符串，子进程读出并，打印到屏幕。

思考：为甚么，程序中没有使用sleep函数，但依然能保证子进程运行时一定会读到数据呢？

写端没有关闭时，读端会阻塞等待写端写入数据

#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
void sys_err(const char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
int main(void)
{
    pid_t pid;
    char buf[1024];
    int fd[2];
    char *p = "test for pipe\n";
   if (pipe(fd) == -1) 
       sys_err("pipe");
   pid = fork();
   if (pid < 0) {
       sys_err("fork err");
   } else if (pid == 0) {//子进程读数据
        close(fd[1]);//关闭掉写端
        int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);//利用标准输出写出到屏幕上
        close(fd[0]);//关掉读端
   } else {
       close(fd[0]);//父进程写数据关闭掉读端
       write(fd[1], p, strlen(p));
       wait(NULL);//回收子进程
       close(fd[1]);
   }
    return 0;
}

管道的读写行为

使用管道需要注意以下4种特殊情况（假设都是阻塞I/O操作，没有设置O_NONBLOCK标志）：

1. 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为0），而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会返回0，就像读到文件末尾一样。

2. 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回。

3. 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write，那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程。具体方法信号章节详细介绍。

4. 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0），而持有管道读端的进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返回。

总结：

① 读管道： 1. 管道中有数据，read返回实际读到的字节数。

2. 管道中无数据：

(1) 管道写端被全部关闭，read返回0 (好像读到文件结尾)

(2) 写端没有全部被关闭，read阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出cpu)

② 写管道： 1. 管道读端全部被关闭，在写端写入数据进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号，使进程不终止)

2. 管道读端没有全部关闭：

(1) 管道已满，write阻塞。

(2) 管道未满，write将数据写入，并返回实际写入的字节数。

练习：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc –l。假定父进程实现ls，子进程实现wc。

ls命令正常会将结果集写出到stdout，但现在会写入管道的写端；wc –l 正常应该从stdin读取数据，但此时会从管道的读端读。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main(void)
{
	pid_t pid;
	int fd[2];
	pipe(fd);
	pid = fork();
	if (pid == 0) {  //child
		close(fd[1]);	                //子进程从管道中读数据，关闭写端
		dup2(fd[0], STDIN_FILENO);		//让wc从管道中读取数据，将标准输入重定向到管道读端
		execlp("wc", "wc", "-l", NULL);	//wc命令默认从标准读入取数据
	} else {
		close(fd[0]);  	//父进程向管道中写数据，关闭读端
		dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);		//将ls的结果写入管道中，将标准输出重定向到管道写端
		execlp("ls", "ls", NULL);		//ls输出结果默认对应屏幕
	}
	return 0;
}

程序执行，发现程序执行结束，shell还在阻塞等待用户输入。这是因为，shell → fork → ./pipe1，程序pipe1的子进程将stdin重定向给管道，父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收，shell就会先输出$提示符。

例子：使用管道实现兄弟进程间通信。兄：ls 弟： wc -l 父：等待回收子进程。

要求，使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环因子i标示。注意管道读写行为。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
int main(void)
{
	pid_t pid;
	int fd[2], i;	
	pipe(fd);
	for (i = 0; i < 2; i++) {
	   if((pid = fork()) == 0) {
	   break;
        }
    }
	if (i == 0) {			//兄
		close(fd[0]);				//写,关闭读端
		dup2(fd[1], STDOUT_FILENO);		
		execlp("ls", "ls", NULL);	
	} else if (i == 1) {	//弟
		close(fd[1]);				//读，关闭写端
		dup2(fd[0], STDIN_FILENO);		
		execlp("wc", "wc", "-l", NULL);		
	} else { //i=2 父亲回收两个儿子
               close(fd[0]);//关闭父亲的两个端口
               close(fd[1]);
	     for(i = 0; i < 2; i++)		//两个儿子wait两次
	       wait(NULL);
	}
	return 0;
}

测试：是否允许，一个pipe有一个写端，多个读端呢？是否允许有一个读端多个写端呢？能

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
	pid_t pid;
	int fd[2], i, n;
	char buf[1024];
	int ret = pipe(fd);
	if(ret == -1){
	     perror("pipe error");
	     exit(1);
	}
	for(i = 0; i < 2; i++){
	    if((pid = fork()) == 0)
		break;
	    else if(pid == -1){
		perror("pipe error");
		exit(1);
	    }
	}
	if (i == 0) {	//子进程1写入数据		
		close(fd[0]);				
		write(fd[1], "1.hello\n", strlen("1.hello\n"));
	} else if(i == 1) {	//子进程2写入数据
		close(fd[0]);				
		write(fd[1], "2.world\n", strlen("2.world\n"));
	} else { //父进程读出数据打印到屏幕上
		close(fd[1]);       //父进程关闭写端,留读端读取数据    
//		sleep(1);
		n = read(fd[0], buf, 1024);     //从管道中读数据
		write(STDOUT_FILENO, buf, n);
		for(i = 0; i < 2; i++)		//两个儿子wait两次
			wait(NULL);//能保证父进程比子进程后结束
	}
	return 0;
}

管道缓冲区大小

可以使用ulimit –a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。通常为：

pipe size (512 bytes, -p) 8

也可以使用fpathconf函数，借助参数选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>

long fpathconf(int fd, int name); 成功：返回管道的大小失败：-1，设置errno

管道的优劣

优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。

缺点：1. 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。

2. 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用fifo有名管道解决。

FIFO

FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但，FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。

创建方式：

1. 命令：mkfifo 管道名

2. 库函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0；失败：-1

一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

共享存储映射

文件进程间通信

使用文件也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符。也就共享打开的文件。

例子：编程测试，父子进程共享打开的文件。借助文件进行进程间通信。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(-1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, i;
    char buf[4096];
    if (argc < 2) {
        printf("Enter like this: ./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    fd = open(argv[1], O_WRONLY);
    if (fd < 0) 
        sys_err("open");
    i = 0;
    while (1) {//向文件中不断写入数据
        sprintf(buf, "hello itcast %d\n", i++);
        write(fd, buf, strlen(buf));
        sleep(1);
    }
    close(fd);
    return 0;
}
第二个文件
void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd, len;
    char buf[4096];

    if (argc < 2) {
        printf("./a.out fifoname\n");
        return -1;
    }
    fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd < 0) 
        sys_err("open");
    while (1) {//从文件中不断读取数据并输出到屏幕上来
        len = read(fd, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);
        sleep(3);           //多個读端时应增加睡眠秒数,放大效果.
    }
    close(fd);
    return 0;
}

思考，无血缘关系的进程可以打开同一个文件进行通信吗？为什么？

可以

存储映射I/O

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

mmap函数

void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

返回：成功：返回创建的映射区首地址；失败：MAP_FAILED宏

参数：

addr: 建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL

length：欲创建映射区的大小

prot：映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE

flags：标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)

MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。

MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。

fd：用来建立映射区的文件描述符

offset：映射文件的偏移(4k的整数倍)，从哪开始映射。映射由Mmu创建，创建映射的最小单位为4K

munmap函数

同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。

int munmap(void *addr, size_t length); 成功：0；失败：-1

借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
int main(void)
{
    char *mem;
    int len = 0;
    int fd = open("hello244", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
    //int fd = open("dict.txt", O_RDWR);
    if (fd < 0)
        sys_err("open error");
    ftruncate(fd, 20);//拓展文件
/*
    len = lseek(fd, 3, SEEK_SET);   //获取文件大小,根据文件大小创建映射区
    write(fd, "e", 1);              //实质性完成文件拓展
    */
    printf("The length of file = %d\n", len);
    mem = mmap(NULL, 20, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mem == MAP_FAILED)            //出错判断
        sys_err("mmap err: ");
    close(fd);//映射区建立完成后就可以关闭文件了
    strcpy(mem, "xxx");//对缓冲区进行写操作
    printf("%s\n", mem);
    if (munmap(mem,  4) < 0)//释放映射内存，0成功，-1不成功
        sys_err("munmap");
    return 0;
}

mmap注意事项

【mmap.c】

思考：

可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?

能，但是新文件必须要有实际的大小

如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？

权限不足，改为MAP_PRIVATE.则显示总线错误

3. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？

4. 如果文件偏移量为1000会怎样？

5. 对mem越界操作会怎样？

6. 如果mem++，munmap可否成功？

7. mmap什么情况下会调用失败？

8. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？

总结：使用mmap时务必注意以下事项：

1.创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作，映射区文件的权限要小于等于磁盘文件的权限。

2.当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。

3.映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。文件操作方式发生了改变，由文件描述符变成了对映射区的操作。

4.特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！ mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。

5.munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。

6.如果文件偏移量必须为4K的整数倍

7.mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

mmap父子进程通信

父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区；

MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区；

练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，而后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。

结论：父子进程共享：1. 打开的文件 2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
int var = 100;
int main(void)
{
    int *p;
    pid_t pid;
    int fd;
    fd = open("temp", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
    if(fd < 0){
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    unlink("temp");				//删除临时文件目录项,使之具备被释放条件.
                                //当所用占用该文件的进程都中止时，该文件才被删除
    ftruncate(fd, 4);
    //p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//父子进程共享映射区
    p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);//父子进程独享映射区
    if(p == MAP_FAILED){		//注意:不是p == NULL
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    close(fd);		 	//映射区建立完毕,即可关闭文件
    pid = fork();			//创建子进程
    if(pid == 0){
        *p = 2000;
        var = 1000;
        printf("child, *p = %d, var = %d\n", *p, var);
    } else {
        sleep(1);
        printf("parent, *p = %d, var = %d\n", *p, var);
        wait(NULL);

        int ret = munmap(p, 4);				//释放映射区
        if (ret == -1) {
            perror("munmap error");
            exit(1);
        }
    }

    return 0;
}

匿名映射

通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。

使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)，如: 只能在linux操作系统上使用该宏

int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

"4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。

需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。

① fd = open("/dev/zero", O_RDWR);

② p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
int main(void)
{
	int *p;
	pid_t pid;
	int fd;
	fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
	p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
//p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);

	if(p == MAP_FAILED){		//注意:不是p == NULL
		perror("mmap error");
		exit(1);
	}
	pid = fork();				//创建子进程
	if(pid == 0){
		*p = 2000;
		printf("child, *p = %d\n", *p);
	} else {
		sleep(1);
		printf("parent, *p = %d\n", *p);
	}
	munmap(p, 4);				//释放映射区

	return 0;
}

mmap无血缘关系进程间通信

实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。

打开相同的文件建立映射区，进行多进程之间的同性

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
struct STU {
    int id;
    char name[20];
    char sex;
};
void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    struct STU student = {10, "xiaoming", 'm'};
    char *mm;

    if (argc < 2) {
        printf("./a.out file_shared\n");
        exit(-1);
    }
    fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0664);
    ftruncate(fd, sizeof(student));
    mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mm == MAP_FAILED)
        sys_err("mmap");
    close(fd);
    while (1) {
        memcpy(mm, &student, sizeof(student));
        student.id++;
        sleep(1);
    }
    munmap(mm, sizeof(student));
    return 0;
}
第二个文件进行读操作

struct STU {
    int id;
    char name[20];
    char sex;
};
void sys_err(char *str)
{
    perror(str);
    exit(-1);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    struct STU student;
    struct STU *mm;

    if (argc < 2) {
        printf("./a.out file_shared\n");
        exit(-1);
    }
    fd = open(argv[1], O_RDONLY);
    if (fd == -1)
        sys_err("open error");
    mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mm == MAP_FAILED)
        sys_err("mmap error");  
    close(fd);
    while (1) {
        printf("id=%d\tname=%s\t%c\n", mm->id, mm->name, mm->sex);
        sleep(2);
    }
    munmap(mm, sizeof(student));
    return 0;
}