〖Linux〗Linux高级编程 - 进程间通信(Interprocess Communication)
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[转自: http://blog.csdn.net/Paradise_for_why/article/details/5550619]
这一章就是著名的IPC,这个东西实际的作用和它的名字一样普及。例如我们浏览网页,打印文章,等等。
IPC总共有五种类型:
-
共享内存(Shared Memory):最容易理解的一种,就像一个特工把情报放在特定地点(内存),另一个特工再过来取走一样。
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内存映射(Mapped Memory):和共享内存几乎相同,除了特工们把地点从内存改成了文件系统。
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管道(Pipes):从一个进程到另一个进程的有序通信,用电话来比喻再恰当不过了。
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FIFOs:和管道和类似,唯一的区别是FIFOs比管道更神通一些,允许没有关系的进程之间的有序通信。
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套接字(Sockets):为什么说浏览网页也是IPC?就是因为它。
5.1 共享内存(Shared Memory)
- 共享内存是最快捷的进程间通信方式。访问共享内存的效率和访问进程自己的非共享内存的效率是相同的,而且这种通信方式不需要任何额外的系统调用。
- 系统不会自动为共享内存处理同步问题,这个问题必须由用户自己解决。
- 共享内存的步骤通常是:
- 一个进程申请一块共享内存,即在它的页表中加入新的一项
- 所有进程Attach该共享内存,即从申请内存的进程中拷贝对应的页表
- 使用该内存进行通讯
- 结束后所有进程detach该共享内存
- 申请共享内存的进程在确定所有进程都detach后,释放该内存
- 由于共享内存是通过页表来实现的,我们可以得出一个结论:共享内存的大小是页面大小的整数倍,页面的大小可以通过getpagesize()来得到,通常在Linux下该值是4KB
- 相关的API函数:
- 申请共享内存:shmget,返回共享内存segment的id
- Attach,Detach函数:shmat,shmdt。需要共享内存segment的id
- 释放申请的内存:shmctl。一定要记得释放!调用exit和exec会自动detach,但不会自动释放。
- 使用 ipcs -m来观看当前系统存在的共享内存
例子:原程序的例子找不到了...摘抄后修改的...
1 /* 2 * ============================================================================= 3 * 4 * Filename: sharememory_read.c 5 * 6 * Description: 7 * 8 * Version: 1.0 9 * Created: 2014年11月04日 19时52分28秒 10 * Revision: none 11 * Compiler: gcc 12 * 13 * Author: lwq (28120), scue@vip.qq.com 14 * Organization: 15 * 16 * ============================================================================= 17 */ 18 #include <stdlib.h> 19 20/********************************************************** 21*实验要求: 创建两个进程,通过共享内存进行通讯。 22*功能描述: 本程序申请和分配共享内存,然后轮训并读取共享中的数据,直至 23* 读到“end”。 24*日 期: 2010-9-17 25*作 者: 国嵌 26**********************************************************/ 27 #include <unistd.h> 28 #include <stdlib.h> 29 #include <stdio.h> 30 #include <string.h> 31 #include <sys/types.h> 32 #include <sys/ipc.h> 33 #include <sys/shm.h> 34 #include <getopt.h> 35 #include "sharememory.h" 36 37void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff); 38void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff); 39void del_shm(); 40 41void usage(){ 42 fprintf(stderr, "\nusage: %s -r|-w\n\n" 43"-r read mode\n" 44"-w write mode\n" 45"\n", "shared_memory"); 46 exit(1); 47} 48 49#define READ (1) 50#define WRITE (2) 51#define OPTNONE (0) 52 53// 全局变量 54void *shared_memory=(void *)0; 55 56/* 57 * 程序入口 58 * */ 59int main(int argc, char **argv) 60{ 61int running=RUNNING; 62struct shared_use_st *shared_stuff; 63int shmid; 64int operation=OPTNONE; /* 读/写操作 */ 65 66/*----------------------------------------------------------------------------- 67 * getopt start 68 *----------------------------------------------------------------------------*/ 69int choice; 70while (1) 71 { 72staticstruct option long_options[] = 73 { 74/* Use flags like so: 75 {"verbose", no_argument, &verbose_flag, ‘V‘}*/ 76/* Argument styles: no_argument, required_argument, optional_argument */ 77 {"version", no_argument, 0, ‘v‘}, 78 {"help", no_argument, 0, ‘h‘}, 79 {"read", no_argument, 0, ‘r‘}, 80 {"write", no_argument, 0, ‘w‘}, 81 {0,0,0,0} 82 }; 83 84int option_index = 0; 85 86/* Argument parameters: 87 no_argument: " " 88 required_argument: ":" 89 optional_argument: "::" */ 90 91 choice = getopt_long( argc, argv, "vhrw", 92 long_options, &option_index); 93 94if (choice == -1) 95break; 96 97switch( choice ) 98 { 99case‘v‘: 100101break; 102103case‘h‘: 104 usage(); 105break; 106107case‘r‘: 108 operation=READ; 109break; 110111case‘w‘: 112 operation=WRITE; 113break; 114115case‘?‘: 116/* getopt_long will have already printed an error */117 usage(); 118break; 119120default: 121/* Not sure how to get here... */122return EXIT_FAILURE; 123 } 124 } 125if (operation == OPTNONE) { 126 usage(); 127 } 128/*----------------------------------------------------------------------------- 129 * getopt end 130 *----------------------------------------------------------------------------*/131132/*创建共享内存*/133 shmid=shmget((key_t)1234,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT); 134if(shmid==-1) { 135 fprintf(stderr,"shmget failed\n"); 136 exit(EXIT_FAILURE); 137 } 138139/*映射共享内存*/140 shared_memory=shmat(shmid,(void *)0,0); 141if(shared_memory==(void *)-1) { 142 fprintf(stderr,"shmat failed\n"); 143 exit(EXIT_FAILURE); 144 } 145146 printf("Memory attached at 0%08x\n",(int)((intptr_t)shared_memory)); 147148/*让结构体指针指向这块共享内存*/149 shared_stuff=(struct shared_use_st *)shared_memory; 150151/*控制读写顺序*/152// lwq: 使之能读取上一条消息153if (operation == READ && shared_stuff->written_by_you != HADWROTE) 154 shared_stuff->written_by_you=HADREAD; 155156switch(operation) { 157case READ: 158 read_shm(shared_stuff); 159break; 160161case WRITE: 162 write_shm(shared_stuff); 163break; 164165default: 166 usage(); 167break; 168 } 169170 del_shm(); 171 exit(EXIT_SUCCESS); 172} 173174// 读取共享内存175void read_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){ 176while(1) { 177if(shared_stuff->written_by_you == HADWROTE) { 178 printf("You wrote:%s",shared_stuff->some_text); 179 shared_stuff->written_by_you=HADREAD; 180if(strncmp(shared_stuff->some_text,"end",3)==0) { 181break; 182 } 183 } 184else { 185 usleep(100000); 186 } 187 } 188} 189190// 写入共享内存191void write_shm(struct shared_use_st *shared_stuff){ 192char buffer[BUFSIZ] = {0}; 193while(1) { 194while(shared_stuff->written_by_you!=HADREAD); /* 等待读写完成 */195 printf("Enter some text:"); 196 fgets(buffer,BUFSIZ,stdin); 197 strncpy(shared_stuff->some_text,buffer,TEXT_SZ); /* 复制进去 */198 shared_stuff->written_by_you=HADWROTE; 199if(strncmp(buffer,"end",3)==0) { 200break; 201 } 202 } 203} 204205// 删除共享内存206void del_shm(){ 207/*删除共享内存*/208if(shmdt(shared_memory)==-1) { 209 fprintf(stderr,"\nshmdt failed\n"); 210 exit(EXIT_FAILURE); 211 } 212else { 213 fprintf(stderr, "\ndelete shared_memory: 0x%08x\n", (int)((intptr_t)shared_memory)); 214 } 215 }
编译:gcc sharememory.c -o sharememory
执行:
1. 以读取模式打开程序(进程1): ./sharememory -r
2. 以写入模式打开程序(进程2): ./sharememory -w
5.2 进程信号量
- 信号量(Semaphore)的概念前面已经介绍过了。Linux对用来同步进程的信号量采取了一种特别的实现方式。这些信号量也就被称为进程信号量(Process Semaphore)。(这一节下面所提到的所有信号量默认都是指进程信号量)
- 相关的API函数:
- 申请:semget
- 释放:semctl。需要注意的是信号量不会被自动释放,我们必须显式释放它。
- Wait和Post:semop
- 使用ipcs -s来观看当前系统存在的信号量
5.3 内存映射
- 内存映射使得不同的进程可以通过一个共享文件来互相通信。
- 相关的API函数:
- 映射:mmap
- 同步:msync。用来指定对文件的修改是否被buffer。
- 释放:munmap。在程序结束的时候会自动unmap
- mmap的其他用法:
- 可以替代read和write,有时使用内存映射后的效率比单纯使用I/O操作来的更快
- 在内存映射文件中构建structure,修改structure再次将文件映射到内存中可以快速的将structure恢复到原来的状态
- 把/dev/zero文件映射到内存中。该文件可以提供无限的0,并且写到该文件的所有内容将被直接丢弃
5.4 管道(Pipes)
- 管道是单向的,即一个线程写,另一个线程读,无法互换
- 如果写的速度太快,造成管道满了,那么写的线程就会被block;如果读的速度太快,造成管道空了,那么读的进程就会被block。因此事实上我们可以说管道自动实现了同步机制
- 我们可以通过调用pipe函数来生成一对pipe file description。(为什么是一对?因为一个读一个写)。可是,生成的pipe file description无法传送给不相关的进程(因为做为file descriptor即使它拿到了也没法用)。但是我们注意到fork之后父进程所有的file descriptor在子进程中依然有效,因此管道最大的作用是在父子进程之间通信。或者更确切的说,是在有共同祖先的进程之间通信。
- 典型的创建管道的流程如下:
- 用pipe生成2个pipe file description(简称fds)。然后调用fork
- 在父进程关闭fds[0](或fds[1]),并以只读(或只写)方式打开fds[1](或fds[0])。在子进程中关闭fds[1](或fds[0]),并以只写(或只读)方式打开fds[0](或fds[1])。打开的函数是fdopen。
- 开始通信。结束后用close函数关闭剩下的fds。
- 这里有一个技巧:可以利用管道来达成重定向stdin, stdout和stderr。注意到dup2这个API可以把一个file descriptor复制到另一个上。
- 事实上,我们有一对更为简洁的函数popen/pclose来完成上面的一系列复杂的操作。popen有两个参数:
- 第一个参数接受一个exec,子进程将执行这个exec
- 第二个参数为”w”或者”r”,”w”表示父进程写子进程读,”r”则反之
- 返回值为管道的一端,也就是一个file descriptor
- pclose用来关闭popen返回的file descriptor
- FIFO(First In First Out)文件事实上是一个有名字的管道,换句话说,他可以用来让“不相干”的程序互相通信。
- 我们使用mkfifo函数来创建一个FIFO文件
- 我们可以使用任何的低级I/O函数(open, write, read, close等)以及C库I/O函数(fopen, fprintf, fscanf, fclose等)来操作FIFO文件。
- Linux的管道和Windows下的命名管道(Named Pipes)的区别
- Windows的命名管道更像一个套接字(sockets),它可以通过网络让不同主机上的程序进行通信
- Linux的管道允许有多个reader和writer,每个reader和writer进行读/写的最大容量为 PIPE_BUF(4KB),如果有多个writer同时写,他们写的东西会被分为一个一个的chunk(每个4KB)并允许交错写。(例如进程A有两个 chunk,A1,A2。进程B也有两个chunk,B1,B2。A和B同时写,则顺序可能为A1,B1,A2,B2) Windows的管道允许在同一个管道上有多个reader/writer对,他们之间读写的数据没有交叉。
5.5 套接字(Sockets)
- 套接字的特点:
- 它是双向通信的
- 它是进程间通信的,包括其他机器上的进程
- 套接字有三个参数:
- 通讯类型(communication style)
- 连接(connection)类型:保证所有的包按发送的顺序到达接受方。(类似于电话)如果包丢失或者抵达顺序错误,会自动重发。
- datagram类型:所有包单独发送,可能会出现丢失或者晚发早到的现象。(类似于邮寄)
- 命名空间(namespace):描述套接字的地址是如何表示的,例如本地就是文件名,internet上就是ip地址。
- 协议(protocol):通讯协议,常用的有TCI/IP,AppleTalk等。
- 通讯类型(communication style)
- 相关的API(套接字也是通过file descriptor来表示的):
- socket:创建一个socket
- closes:销毁一个socket
- connect:在两个socket之间创建一个连接。这个API通常由客户端调用。
- bind:给服务器的一个套接字绑定一个地址,服务器端调用。
- listen:让一个套接字开始侦听,准备接受请求,服务器端调用。
- accept:接受一个连接请求,并且为该连接创建一个新的套接字,服务器端调用。
- 服务器端的生命流程:
- 创建一个connection类型的socket
- 给该socket绑定一个地址
- 调用listen来enable该socket(listen可以指定最多有多少个请求在等待队列中,如果等待队列满了,又有新的请求到达的时候,则该请求被拒绝)
- 对于收到的连接请求调用accept来接受
- 关闭socket
- 本地socket(local socket)
- 如果是同一台电脑上的两个进程需要通信的话,可以使用本地socket。这种情况下socket的地址是文件路径。注意进程必须对该路径拥有可写权限,否则无法建立连接
- 完成之后使用unlink来关闭一个socket
原文:http://www.cnblogs.com/scue/p/4075088.html
内容总结
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