linux进程间通讯.ppt

Linux进程间通讯 目录 Linux IPC概述 信号（signal） 信号量（semaphore） 消息 队 列 命名管道 共享内存 套接字 Linux IPC概述 信号（signal）：亲缘进程和非亲缘进程都可以， 也可以进程自己给自 己递送信号。 信号量（semaphore）：主要是线程间和亲缘进程间的同步手段，不做 数据传输之用。 消息 队 列： 就是一个消息的链表。就是把消息看作一个记录，并且这 个记录具有特定的格式以及特定的优先级。管道：只允许亲缘进程间 的通讯。 命名管道（FIFO）：除了亲缘进程可以通讯外，非亲缘进程也可以通讯 。 共享内存：多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的IPC方式。在 进程间传递数据时无须任何内存的拷贝 。 套接字：最通用的进程间通讯方式，它提供了一种让不同机器上进程间 通讯方式。 信号(signal) 信号(signal)是一种进程间通信机制，它给应用程序提供一种 异步的软件中断，使应用程序有机会接受其他程序活终端 发送的命令(即信号)。应用程序收到信号后，有三种处理 方式：忽略，默认，或捕捉。进程收到一个信号后，会检 查对该信号的处理机制。如果是SIG_IGN，就忽略该信号 ；如果是SIG_DFT，则会采用系统默认的处理动作，通常 是终止进程或忽略该信号；如果给该信号指定了一个处理 函数(捕捉)，则会中断当前进程正在执行的任务，转而去 执行该信号的处理函数，返回后再继续执行被中断的任务 。 简单signal函数 typedef void (*sighandler_t) (int) sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); 返回原信号处理函数，或SIG_ERR signal()是最简单的给进程安装信号处理器的函数，第 一个参 数指定信号，第二个参数为该信号指定一个处理 函数。 信号屏蔽字(process signal mask) 每个进程都会有一个信号屏蔽字，它规定了当前进程 要阻塞的信号集。对于每种可能的信号，信号屏蔽字中都 会有一位与之对应，如果该位被设置，该信号当前就是阻 塞的。进程可以通过sigprocmask()来获得和修改当前进 程的信号屏蔽字。 信号集(signal set) 信号集是一种特殊的数据类型，由于无法确定信号的多少，所以不能用 简单数据类型来包含所有可能的信号，所以系统就定义了一个sigset_t的数 据类型专门用于信号集。同时还定义了一族用于处理信号集的函数。这样用 户可以不必关心信号集的实现，只要使用这组函数来处理信号集就可以了。 信号集函数 int sigemptyset(sigset_t * set); int sigfillset(sigset_t * set); int sigaddset(sigset_t * set, int signum); int sigdelset(sigset_t * set, int signum); int sigismember(sigset_t * set, int signum); sigemptyset()和sigfillset()都用于初始化一个信号集，前者用于清空信 号集中所有的信号，后者则用于设置信号集中所有的信号；信号集在使用前 必须要经过初始化，初始化后，就可以用sigaddset()和sigdelset()往信号集 里添加删除信号了。sigismember()用于判断指定信号是否在信号集中。 信号量（semaphore） 信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。当公共资源 增加时，调用函数sem_post（）增加信号量。只有当信号量值大于时，才能使用公共资 源，使用后，函数sem_wait（）减少信号量。函数sem_trywait（）和函数pthread_ mutex_trylock（）起同样的作用，它是函数sem_wait（）的非阻塞版本。它们都在头文 件/usr/include/semaphore.h中定义。 信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个长整型的数。函数sem_init（）用来 初始化一个信号量。它的原型为： extern int sem_init _P (sem_t *_sem, int _pshared, unsigned int _value); sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为时此信号量在进程间共享，否则只 能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。 函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时， 调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。 函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞 后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。 函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量 sem的值减一。 函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。 消息 队 列 消息 队 列 就是一个消息的链表。就是把消息看作一个记录 ，并且这个记录具有特定的格式以及特定的优先级。对消息 队列有写权限的进程可以按照一定的规则添加新消息;对消息 队列有读权限的进程则可以从消息队列中读出消息。 消息 队 列 是随内核持续的并和进程相关，只有在内核重起 或者显示删除一个消息队列时，该消息队列才会真正被侧除 。因此系统中记录消息队列的数据结构(struct ipc_idsmsg ids)位于内核中，系统中的所有消息队列都可以在结构msg ids中找到访问入口。 消息 队 列 的编程接口(AP (1) m s gge t:调用者提供一个消息队列的键标(用于表示 一个消息队列的唯一名字)，当这个消息队列存在的时候， 这个消息调用负责返回这个队列的标识号;如果这个队列不 存在，就创建一个消息队列，然后返回这个消息队列的标识 号，主要由sys msgge收行。 (2) m s gsn d:向一个消息队列发送一个消息，主要由sys_ msgsnd执行。 (3) m s grc v:从一个消息队列中收到一个消息，主要由 sys-m sgrcv执行。 (4) m s gct l:在消息队列上执行指定的操作。根据参数的不 同和权限的不同，可以执行检索、删除等的操作，主要 由sys msgctl执行。 管道 #include int pipe(int pipefd2); pipe用来创建一个管道，这个管道用于父子进程间的通讯。pipefd0是管 道的读端，pipefd1是管道的写端。 由于管道是单向的，所有一个进程需要关闭写端或者读端。 写端不存在时，读端会收到文件结束符。读端不存在时，写端会收到 SIGPIPE信号。 成功返回0，失败返回-1. 缺点：只能用于亲缘进程间通讯。 管道 u 管道是半双工的，当需要双向通讯时，需要两个管道。 u 只能用于父子进程和兄弟进程等有亲缘关系的进程。 u 数据写入时，放在管道的结尾。 u 数据读取时，从管道的头开始读取。 f o r k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（f d 0 ），子进程则关闭写端（f d 1 ） Fork后的半双工管道 从父进程到子进程的管道对于从子进程 到父进程的管道，父进程关闭fd1，子 进程关闭fd0 命名管道(FIFO) 命名管道可以在所有进程间使用，克服了管道只能在亲缘进程通讯的限 制。 命名管道与一个路径名相关联，以文件的形式存在于文件系统中。只要 能访问该文件的进程就可以使用命名管道。 命名管道也是先进先出，虽然以文件形式实现但不支持seek等操作。 命名管道的数据并不是放在文件系统上。 #include #include int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode) 第一个参数为路径名，第二个为创建类型。跟create函数的参数一样。 进程只要打开这个文件，就可以往这个文件读和写。 当多个进程往fifo里写时，linux只保证PIPE_BUF大小的字节数是原子的 。 成功返回0，失败返回-1。 命名管道的使用 shell命令mkfifo可在文件系统中创建命名管道 命名管道fifo使用跟文件类似 open打开 ，read/write来读取数据 当以只读方式打开fifo时，阻塞open要等到有进程打开写fifo，反之也一样 fifo有容量上限 #include FILE *popen(const char *command, const char *type); int pclose(FILE *stream); popen的作用相当于创建一个管道，然后再fork一个子进程，最后执行命令。 根据命令的不同这个管道是可读或者可写。 Command参数是一个shell命令 用popen打开的文件描述必须用pclose关闭 失败返回NULL 共享内存 共享内存是操作系统把同一块物理内存映射到不同进程的地址空间。 效率高，无须拷贝 。 多个进程可以自由读写共享内存，所以需要同步机制。 mmap 、shmget、shmat、shmdt、shmctl void* mmap ( void * start , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset ) mmap在进程地址空间创建一个映射。它既可以把一个文件映射到内存，也可 以映射一块内存，实现进程间内存共享。 mmap函数从文件偏移为offset开始，长度length字节的内容映射到进程空间 。 文件由fd表示 映射进程空间的起始地址由start说明，但仅仅是一个提示不是必须。通常为0 ，让内核选择合适地址 内存隐射大小以page为单位，而不是实际要求的字节数 返回值为内存映射的起始地址。 prot描述了内存隐射的保护机制 PROT_EXEC 页面可以被执行 PROT_READ 页面可以读 PROT_WRITE 页面可以写 PROT_NONE 页面不能访问 flags说明内存隐射的类型 MAP_FIXED 隐射内存必须使用start指明的起始地址，地址必须以page对齐 MAP_SHARED 隐射内存在亲缘进程间共享（exec执行前），如果是隐射文件， 对内存的 修改就是对文件的修改，但需要msync和munmap之后才能确保写到文件。 MAP_PRIVATE 与MAP_SHARED相反。 MAP_LOCKED 把隐射内存固定在物理内存中（mlock） MAP_ANONYMOUS 隐射内存不对应任何文件，仅仅是内存在进程共享。 int munmap(void *start, size_t length); int msync(void *start, size_t length, int flags); umunmap删除内存隐射，并且对修改的文件作写回操作。 umsync把修改过的内容保存至硬盘上的文件。 uflags说明了msync如何执行sync MS_SYNC 直到更新后函数才返回 MS_ASYNC 异步更新，直接返回 MS_INVALIDATE 隐射同一个文件的不同隐射内存之间同步 实例 ipc/mmap_file.c 共享内存 有内核维护共享内存，共享内存一旦建立，一直保留在 系统中。直到系统重启或者共享内存被移除。 当key为IPC_PRIVATE时，会新创建一个共享内存，msgflg也只有权限位 起作用 当key为其它值，key对应的消息队列不存在，以及msgflg中有 IPC_CREAT，也会创建新共享内存 用IPC_CREAT 和 IPC_EXCL来检测共享内存是否存在 msgflg的最低几为bits，用来表示消息队列的权限，跟open的mode一样 。 内核中共享内存的属性有 shmid_ds来描述 #include #include int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); #include #include void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); int shmdt(const void *shmaddr); shmat函数把shmid标识的共享内存隐射到调用进程的地址空间。 shmaddr为NULL，内核选择隐射地址 shmaddr不建议设置其它值 shmflg 0 共享内存可读可写 SHM_RDONLY 共享内存只读 SHM_RND 会把shaddr设置成page对齐 shmdt从调用进程中去掉共享内存，参数为shmat的返回值 #include #include int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); shmctl动态改变共享内存属性 主要的cmd有 IPC_STAT 从内核获取shmid_ds的信息 IPC_SET 设置用户ID，权限等 IPC_RMID 从内核移除共享内存 socket socket接口是TCP/IP网络的API，也称作“套接字”，用于描述IP地址和端 口 。 Socket建立 为了建立socket，程序可以调用socket函数，该函数返回一个类 似于文件描述符的句柄。socket函数原型为： int socket(int domain, int type, int protocol); domain指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互联网协 议族（TCP/IP协议族）；type参数指定socket的类型： SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，socket接口还定义了原始 socket（SOCK_RAW），允许程序使用低层协议；protocol通常赋 值 “0“。 socket()调用返回一个整型socket描述符，你可以在后面的调 用使用它。 socket配置 通过socket调用返回一个socket描述符后，在使用socket进行网络传 输以前，必须配置该socket。面向连接的socket客户端通过调用connect 函数在socket数据结构中保存本地和远端信息。无连接socket的客户端和 服务端以及面向连接socket的服务端通过调用 bind函数来配置本地信息 。 bind函数将socket与本机上的一个端口相关联，随后你就可以在该端 口监听服务请求。bind函数原型为： int bind(int sockfd,struct sockaddr*my_addr, int addrlen); Sockfd是调用socket函数返回的socket描述符,my_addr是一个指向 包含有本机IP地址及端口号等信息的sockaddr类型的指针；addrlen常被 设置为sizeof(struct sockaddr)。 连接建立 面向连接的客户程序使用connect函数来配置socket并与远端服务器建立一个TCP连接，其函数原 型为： int connect(int sockfd, struct sockaddr*serv_addr,int addrlen); Sockfd 是socket函数返回的socket描述符；serv_addr是包含远端主机IP地址和端口号的指针；addrlen是 远端地质结构的长度。 connect函数在出现错误时返回-1，并且设置errno为相应的错误码。 进行客户端程序设计无须调用bind()，因为这种情况下只需知道目的机器的IP地址，而客户通过哪个 端口与服务器建立连接并不需要关心，socket执行体为你的程序自动选择一个未被占用的端口，并通知你 的程序数据什么时候到达端口。 connect函数启动和远端主机的直接连接。只有面向连接的客户程序使用socket时才需要将此socket 与远端主机相连。无连接协议从不建立直接连接。面向连接的服务器也从不启动一个连接，它只是被动 的在协议端口监听客户的请求。 listen函数使socket处于被动的监听模式，并为该socket建立一个输入数据队列，将到达的服务请求 保存在此队列中，直到程序处理它们。 int listen(int sockfd， int backlog); Sockfd 是socket系统调用返回的socket 描述符；backlog指定在请求队列中允许的最大请求数，进入的连 接请求将在队列中等待accept()它们（参考下文）。Backlog对队列中等待服务的请求的数目进行了限制 ，大多数系统缺省值为20。如果一个服务请求到来时，输入队列已满，该socket将拒绝连接请求，客户 将收到一个出错信息。 当出现错误时listen函数返回-1，并置相应的errno错误码。 accept()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用accept函数，然 后睡眠并等待客户的连接请求。 int accept(int sockfd, void*addr, int*addrlen); sockfd是被监听的socket描述符，addr通常是一个指向sockaddr_in变量的指针，该变量用来存放提 出连接请求服务的主机的信息（某台主机从某个端口发出该请求）；addrten通常为一个指向值为 sizeof(struct sockaddr_in)的整型指针变量。出现错误时accept函数返回-1并置相应的errno值。 首先，当accept函数监视的 socket收到连接请求时，socket执行体将建立一个新的socket，执行体将 这个新socket和请求连接进程的地址联系起来，收到服务请求的初始socket仍可以继续在以前的 socket 上监听，同时可以在新的socket描述符上进行数据传输操作。 数据传输 send()和recv()这两个函数用于面向连接的socket上进行数据传输。 int send(int sockfd, const void*msg, int len, int flags); Sockfd是你想用来传输数据的socket描述符；msg是一个指向要发送数据的指针；Len是以 字节为单位的数据的长度；flags一般情况下置为0（关于该参数的用法可参照man手册）。 send()函数返回实际上发送出的字节数，可能会少于你希望发送的数据。在程序中应该 将send()的返回值与欲发送的字节数进行比较。当send()返回值与len不匹配时，应该对这种 情况进行处理。 int recv(int sockfd,void*buf,int len,unsigned int flags); Sockfd是接受数据的socket描述符；buf 是存放接收数据的缓冲区；len是缓冲的长度 。Flags也被置为0。recv()返回实际上接收的字节数，当出现错误时，返回-1并置相应的 errno值。 sendto()和recvfrom()用于在无连接的数据报socket方式下进行数据传输。由于本地 socket并没有与远端机器建立连接，所以在发送数据时应指明目的地址。 int sendto(int sockfd, const void*msg,in