课程名称：网络程序设计6.ppt

1、课程名称：网络程序设计,主讲教师：胡亮 Email:,第6章 机内进程间通信,网络编程通常涉及多个进程之间相互作用，相互协调它们的活动。这一协调是通过进程间的某些主动或被动通信实现的。系统可以提供多种在一个节点上进程间通信方式，主要有信号（Signal）、管道（pipe）、命名管道（FIFOS）、消息队列（message queue）、信号灯（semaphore）、共享内存（shared memory）和内存映象（memory mapped file）以及UNIX域类型的套接字。,6.1 信号,信号是Unix系统中最原始的进程间同步和通信的工具，它实际上是发送给进程的“软件中断”，用于通知进程

2、在它的运行环境中发生了某件事情。当引起信号的事件发生了，相应的信号就产生了。而当进程获得基于信号的行为时，这个信号就释放了，从信号的产生到信号被释放这段时间，称为信号的生命期。从信号的产生到信号的释放之间，信号可能被阻塞。通常是进程在执行某项任务时，不希望被相应的信号中断，这时进程可以阻塞这些信号。当进程完成任务时，再清除对这些信号的屏蔽，进程通过设置屏蔽码来实现信号的屏蔽。在进程阻塞期间产生的信号，进程仍然会收到，只是直到进程清除屏蔽后信号才被释放。 信号类似于硬件中断，但没有优先级，也就是说，进程平等地对待所有的信号。对于同时发生的信号，一次只给进程一个信号，而没有特别的次序。,Linux

3、系统支持的信号,在Linux系统中，可以使用kill l来显示系统中支持的信号，这些信号主要有： SIGHUPSIGINTSIGQUITSIGILLSIGTRAPSIGIOT SIGBUSSIGFPESIGKILLSIGUSER1SIGSEGVSIGUSER2 SIGPIPESIGALRM SIGTERM SIGCHLDSIGCONTSIGSTOP SIGTSTPSIGTTINSIGTTOUSIGURGSIGXCPUSIGXFSZ SIGVTALRMSIGPROF SIGWINCHSIGIOSIGPWR,信号分类,可以根据信号的来源将信号进行分类： 进程在运行过程中出现了错误，触发系统的信号处

4、理器对错误事件进行处理，这些信号是核心产生的。例如当进程遇到浮点运算错误，将触发SIGFPE信号进行相应的错误处理；段越界错误，核心将向进程发送SIGSEGV信号。 一个进程向另一个进程发送的信号，例如进程可以使用kill系统调用向某个进程或进程组发送信号，进程还可以使用raise向自己发送信号。,常用信号及其含义,信号的捕获和处理,Posix.1中的函数sigaction的功能是为进程安装信号处理器，struct sigaction数据结构用于保存信号处理器的相关信息。具体定义如下： #include int sigaction(int signo, const struct sigacti

5、on *act, struct sigaction *oact); struct sigaction void (*sa_handler)(); /* the action to be taken*/ sigset_t sa_mask; int sa_flags; ; 在sigaction数据结构中，sa_handler是函数指针，当用户想捕获信号时，可以使sa_handler指向信号处理器的入口地址，即一个函数地址，只要该函数声明在调用sigaction之前，sa_handler就可以设置为该函数的名字，编译器会知道这个函数名代表的就是函数地址；如果用户想忽略信号的处理，可以使sa_hand

6、ler等于SIG_IGN；如果用户想对信号进行缺省处理，可以使sa_handler等于SIG_DFL，核心对大多数信号的缺省处理是使进程退出。,信号集合设置,在Posix.1中，定义了sigset_t结构来实现信号集合，并提供了一组信号集合的操作函数，这些函数分别是： #include int sigemptyset(sigset_t *set); int sigfillset(sigset_t *set); int sigaddset(sigset_t *set, int signo); int sigdelset(sigset_t *set, int signo); int sigisme

7、mber(const sigset_t *set, int signo); sigemptyset函数将信号集合清空，sigfillset可以将信号集合设置为包含所有的信号。在对集合进行操作前，必须使用sigfillset或sigemptyset对信号集合进行初始化。否则，由于集合的初始状态是不确定的，不能保证集合能满足用户的需求。 Sigaddset将一个由signo指定的信号加入到信号集合中，sigdelset函数将signo指定的信号从信号集合中删除。Sigismember可以用来判断某信号是否在信号集合中，返回值是1表示信号在集合中，否则返回0表示信号不在集合中。,信号屏蔽码设置,进程

8、的信号屏蔽码也是一个sigset_t类型的结构，用户可以使用Posix. 中的函数sigprocmask来设置进程的信号屏蔽码。具体使用方法如下： #include int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oset); 参数how指示将以什么方式来改变信号屏蔽码，它可能取如下值： SIG_BLOCK：增加一个信号到信号屏蔽码中； SIG_UNBLOCK：在信号屏蔽码中删除一个信号； SIG_SETMASK：将信号屏蔽码设置成给定的信号集合。 参数set是用于设置的集合，oset是进程原来的信号集合，通常进程可以保存并在需要

9、的时候将屏蔽码设置成原来的状态。 sigprocmask调用发生错误时返回值为-1，并将错误码设置在errno中，成功时返回0。,信号的处理,进程收到信号后，有三种方法处理所接收的信号。他们分别是： 接受默认动作。 默认动作一般是终止进程的执行。但是，对SIGUSER1和SIGUSER2来说却是忽略此信号。对SIGSTOP信号来说是停止进程的执行（挂起进程）。 忽略信号的发生，并继续执行程序。在大型的程序中，一些意想不到的信号可能导致程序运行的错误。例如，程序正在做重要的是数据库更新，用户并不想因为一个不小心的中断键而终止它的执行。 接受用户自定义的默认动作。每当一个程序退出时，无论是否正常退

10、出，进程在退出之前都应该做一些清理工作。,信号阻塞,当进程执行敏感任务时（例如数据库更新），不希望外界信号中断程序的运行。在这个阶段并不是简单地忽略信号，而是阻塞这些信号，也就是说进程在结束这些任务后，还会处理这些信号。 函数sigprocmask可以用来在一个进程中阻塞某些特定的信号，它的使用方法如下： #include int sigprocmask(int how, sigset_t *set, sigset_t *oset); 函数sigprocmask的第一个参数指定进程将对这个信号采取何种行动，例如，把第一个参数指定为SIG_SETMASK，这就意味着从现在开始，阻塞第二个参数指定

11、的信号集。第三个参数是当前阻塞信号的掩码信息，如果用户不想知道这些，可以把第三个参数设置为NULL。,向其它进程发送信号：kill,进程调用sigaction可以处理其它进程发送来的信号。如果进程本身想向其它进程发送信号，可以使用kill系统调用。具体使用方法如下： #include #include int kill(pid_t pid, int sig); kill的第一个参数是信号sig将要发送的进程或进程组的pid。通常pid都是一个整数，它是进程的真实id。例如： kill(7256, SIGTERM); 意味着向真实id为7256的进程发送SIGTERM信号，因为进程调用kill需

12、要知道进程id号，所以kill常用于两个联系紧密的进程之间，例如父子进程。值得指出的是进程可以向自己发信号。,向自己发送信号：raise和alarm,raise函数仅仅是向正在执行的进程发送一个信号，具体使用方法如下： #include int raise(int sig); raise把参数sig指定的信号发送到调用进程，成功时返回0。 alarm是一个比较简单而又实用的设定进程定时器的系统调用。当进程定时器超时后，它将以信号的形式通知进程。具体使用方法如下： #include unsigned int alarm(unsigned int secs); 在alarm调用中，secs给出了定

13、时器超时的时间。当给定时间超时后，进程将接收到一个SIGALRM信号。例如： alarm(60); 设定调用进程每60秒接收到一个SIGALRM信号。注意定时器与sleep调用不同，sleep会把进程挂起来，而alarm立即返回，进程按正常的顺序继续执行下去，至少在接收到一个SIGALRM信号之前是按顺序执行的。,pause系统调用,Unix系统还提供了与alarm相对应的系统调用pause，它的用法很简单，具体如下： #include int pause(void); 函数pause会把调用它的进程挂起来，使该进程不再耗费CPU时间，直至该进程接收到一个像SIGALRM这样的信号才会恢复执行

14、。SIGALRM通常情况下会导致进程终止。如果进程忽略SIGALRM信号，pause也会忽略此信号。如果进程捕获了此信号，则在执行完处理函数之后，pause调用将立刻返回-1，并把errno设置为EINTR。,6.2 管道,为了完成一项任务，在两个或者多个进程进行合作时，必然会发生数据共享。即使信号在其处理异常事件或者错误的时候非常有用，但不适合从一个进程到另一个进程传输大量的信息。解决这个问题的一种方法是进程访问共享文件，因为没有任何限制阻止若干进程同时读写同一个文件，但是这种方法效率较低，而且不得不小心地避免进程间竞争的问题。 为了更好地解决这个问题，Unix提供了一个称为管道（pipe）

15、的技术。管道通常被用作单向的通信信道，该信道将一个进程与另一个进程连接在一起，进程可以使用write系统调用向管道发送数据，而另一端的进程也可以通过使用read调用来接收数据。,管道分类,管道提供了一种简单的、同步的进程之间传送信息的方式。管道可以被分为两类：未命名管道和命名管道。未命名管道只能在有亲缘关系的进程之间使用（例如父进程和子进程，子进程和子进程），并且与创建未命名管道的进程一起存在。因为命名管道作为拥有文件访问权限的目录入口而存在，所以它们可以在彼此无关的进程之间使用。,管道技术的实现,管道以先进先出（FIFO）方式保存一定数量的数据。使用管道的时候，一个进程从管道的一端写，另一个

16、进程从管道的另一端读。图中所示未命名管道的工作原理，在主进程中利用fork()函数创建一个子进程，现在，父子进程同时拥有对同一管道的读写句柄，因为管道必须是单向的（它没有提供锁定的保护机制），所以必须决定数据的流动方向，然后在相应进程中关闭不需要的句柄。,管道程序设计,在程序设计中可以通过pipe系统调用来创建管道。如果成功，该调用返回两个文件描述符：一个向管道写入，一个从管道读出。具体使用方法如下： #include int pipe(int filedes2); filedes是一个有两个成员的整形数组，用来保存标识管道的文件描述符。如果这个调用成功，filedes0将用来从管道读出数据，

17、filedes1用来向管道写入数据。 pipe调用失败时返回-1。当这个调用可能导致比每个用户进程限制更多的文件描述符被打开（这种情况下，errno设置为EMFILE），或者内核的打开文件表溢出时（errno将设置为ENFILE），都会发生错误。 一个管道创建之后，就可以使用read和write调用直接操作管道了。,关闭管道,在关闭管道其中一端的文件描述符时，通常有两种情况： 关闭只写文件描述符：如果其它进程仍然打开着以便这个管道进行写操作，这时什么也不会发生。但是，如果没有其它进程要写管道并且管道为空，那么任何一个试图从该管道读出的进程将不会返回任何数据。为读该管道而睡眠的进程将被唤醒，而它

18、们的read调用将返回0。这样，对于读进程的结果和读到一个常规文件的结束符类似。 关闭只读文件描述符：如果其它进程打开着以便这个管道进行读操作，这是什么也不会发生。但是，如果没有其它进程在读该管道，所有等待写入该管道的进程将收到内核发送的一个SIGPIPE信号。如果进程没有捕获该信号，这个进程将终止。如果捕获了这个信号，在中断例程结束之后，write将返回-1并且errno将设置为错误代码EPIPE。其后试图向该管道写入的进程也会收到SIGPIPE信号。,6.3 共享内存,共享内存是对将要在多个进程间映射和共享的内存区域（段）所作的映射。这是IPC的最快捷方式，因为这种通信方式没有中介（例如管道、消息队列等等）。相反，消息直接从某内存段映射，并映射到调用进程的寻址空间。 使用共享内存技术，不同进程可以同时访问相同的内存区域。能够通过共享它们地址空间的若干部分，然后对存储在共享内存中的数据进行读和写，从而实现直接彼此通信。对进程通信来讲，这是一种最快但在某种程度上讲并非最容易的方法。这些数据可以以一种非顺序的随机的方式来访问。为避免不一致的情况，常引入信号量来协调对共享内存段的访问。 多个进程共同使用同一段物理内存空间，不需要数据的多次复制，提高了进程间