【Linux】进程间通信

目录

一、管道

（一）概念

（二）匿名管道

1、概念

2、函数介绍

3、示例代码

4、原理

（三）命名管道

1、概念

2、函数介绍

3、示例代码

4、原理

（四）管道的读写规则

（五）管道的本质

二、system V共享内存

（一）概念

（二）相关指令

（三）相关系统调用接口

（四）共享内存的优缺点

1、优点

2、缺点

（五）利用共享内存进行进程间通信

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一、管道

（一）概念

        管道是Linux下一种进程间通信的形式，我们把一个进程连接到另一个进程的数据流称为一个管道。

（二）匿名管道

1、概念

        匿名管道是Linux操作系统中用于进程间通信的一种机制。它允许两个进程进行双向通信（半双工），必须是拥有血缘关系的进程，通常用于父子进程之间的通信。

        匿名管道是“匿名”的，因为它只在创建它的进程和它创建的子进程之间存在，并且没有文件系统中的对应文件。

2、函数介绍

NAMEpipe - create an interprocess channel
SYNOPSIS#include <unistd.h>int pipe(int fildes[2]);
RETURN VALUEUpon successful completion, 0 shall be returned; otherwise, -1 shall be returned and errno set to indicate the error.

        该函数是传入一个数组，底层创建管道并返回该数组，其中 fildes[0] 为读端， fildes[1] 为写端，成功时返回0，失败返回-1。

        当我们创建好管道后，因管道为半双工传输数据，我们若关闭父进程的读写段时，也要相应的关闭子进程的写读段。

3、示例代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
int main()
{//创建管道int pipefd[2];int ret = pipe(pipefd);assert(ret == 0);//创建子进程pid_t id = fork();if(id == 0){//子进程//关闭写端close(pipefd[1]);char buff[1024] = {0};ssize_t num = read(pipefd[0], buff, sizeof(buff));assert(num != -1);printf("%s", buff);}//父进程关闭读端close(pipefd[0]);const char* str = "i am father";ssize_t num = write(pipefd[1], str, strlen(str));return 0;
}

        上述代码是父进程对管道进行写入，而子进程对管道进行读出并输出至屏幕。

4、原理

        pipe() 函数实际上是新打开了一个文件，而传入的数组是用来记录该文件的读写端，也就是数组内存储的元素实际上文件描述符，其中 fildfd[0]是为读的方式打开的文件的文件描述符， fildfd[1]是为写的方式打开的文件的文件描述符。

        上文中提到，匿名管道一般用于具有血缘关系的进程间通信。其原理为：利用 fork() 创建子进程后操作系统会将父进程的相关内核数据结构拷贝给子进程，我们在调用 fork() 之前执行 pipe() 函数，为父进程创建文件（管道）并返回该文件的读写端，fork() 之后子进程也继承了对该文件的读写端，因此实现了父子进程通过该文件进行通信。

（三）命名管道

1、概念

        命名管道是一种特殊的文件系统对象，它允许不相关的进程进行双向通信。与匿名管道不同，命名管道在文件系统中有一个名字和路径，因此它不仅限于父子进程之间的通信，任何拥有适当权限的进程都可以访问和使用它。

2、函数介绍

NAMEmkfifo - make a FIFO special file (a named pipe)SYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
RETURN VALUEOn success mkfifo() returns 0.  In the case of an error, -1 is returned 

        该函数是在同级目录创建一个管道文件，其中 pathname 为该文件的名称，而 mode 则是创建该文件时的权限。

3、示例代码

// .h
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#define PIPE_NAME "mypipe.pipe"
using namespace std;//process1.cpp
#include "proc.h"
int main()
{// 创建管道umask(0);int ret = mkfifo(PIPE_NAME, 0666);assert(ret != -1);// 打开管道文件int id = open(PIPE_NAME, O_WRONLY);assert(id != -1);// 写入管道const char *str = "Hello world";ssize_t num = write(id, str, strlen(str));assert(num != -1);return 0;
}//process2.cpp
#include "proc.h"
int main()
{// 打开管道文件int id = open(PIPE_NAME, O_RDONLY);assert(id != -1);// 写入管道char buff[1024] = {0};ssize_t num = read(id, buff, sizeof(buff) - 1);assert(num != -1);buff[num] = 0;cout << buff << endl;return 0;
}

        上述代码是由process1创建管道文件并向管道文件进行写入，二process2打开管道并进入读出。

4、原理

        与匿名管道不同，命名管道是直接在程序中创建管道文件，并不依赖进程的继承因此适用于任何具有权限的进程进行通信，其本质也是对文件的操作，即不同的进程分别对同一文件进行读写。

（四）管道的读写规则

        管道大小是固定的，也就是其只能存储一定量的数据，下面是管道的读写规则：

        1、当写端持续写入讲管道写满后，写端被阻塞，直到数据被读出；

        2、当读端持续从管道读数据并读完后，读端被阻塞，直到数据被写入；

        3、当管道建立并读写端打开后，若写端关闭，则 read() 读取会返回0；

        4、当管道建立并读写端打开后，若读端关闭，则写端进程会直接退出。

（五）管道的本质

        无论是匿名管道还是命名管道，其本质都是文件，即符合Linux下一切皆文件。但实际上与普通的文件不同。

        对于匿名管道来说，其读写的数据实际存储在内存中的一片缓冲区里；对于命名管道来说，虽然其有用独立的 inode 节点，但是读写的数据并不存在在文件本身（磁盘），而是被加载至内存中的缓冲区。也就是管道通信实际上是依托于文件系统，利用内存的进程间的通信。

        管道的特点：

        1、管道具有生命周期；

        2、管道是面向字节流的；

        3、管道是半双工通信；

        4、管道可以用来进行具有血缘关系的进程间通信；

        5、管道具有同步互斥的机制，以保护共享资源。

二、system V共享内存

（一）概念

       System V共享内存是一种进程间通信机制，它允许多个进程共享同一块物理内存区域。一旦共享内存被创建并且映射到进程的地址空间，进程可以直接读写内存，无需数据在用户空间和内核空间之间的复制。

        共享内存的原理是在物理内存中开辟一块可以让所有进程都看到的内存空间，然后通过页表将这块物理内存映射到进程地址空间中。这样，多个进程就可以通过这块共享内存来读取或写入数据，实现进程间的通信。

        需要注意的是共享内存的生命周期是伴随操作系统的，进程退出并不会影响其生命周期，因此共享内存在确认以后不再使用后需要手动释放资源。

（二）相关指令

1、查看共享内存

ipcs -m    //查看共享内存块

        对于上图中的字段：

        （1）key：共享内存块的键值，用于标识共享内存段（系统）；

        （2）shmid：共享内存块的标识符，是唯一的数字，除了有系统内部标识的作用外对上层用户的使用也是通过该字段（用户）；

        （3）owner：共享内存块的所有者用户名；

        （4）perms：共享内存块的权限，类似于文件权限；

        （5）bytes：共享内存块的大小，单位是字节；

        （6）nattch：共享内存块上的进程挂载数；

        （7）status：共享内存块的状态，例如“dest”（正在被销毁）或其他状态。

2、删除共享内存

ipcrm -m shmid    //删除共享内存块

（三）相关系统调用接口

1、形成key值

NAMEftok - convert a pathname and a project identifier to a System V IPC key
SYNOPSIS#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
RETURN VALUEOn success, the generated key_t value is returned.  On failure -1 is returned, with errno indicating the error as for the stat(2) system call.

        使用 ftok() 函数来构造创建共享内存块所使用的 key 值，也就是共享内存块的 key 值实际是由用户决定的，而 ftok() 函数是将一个路径以及 id 采用算法组合为一个唯一 key 值，当然如果传入的参数相同，那么构造出来的 key值 也相同。

        其中 pathname 参数为项目所在路径，proj_id 参数为项目 id 。其实我们可以约定一个路径和 id 作为构造 key 值的参数。执行成功时返回构造的 key 值，失败返回-1。

2、创建共享内存块

NAMEshmget - get an XSI shared memory segment
SYNOPSIS#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
RETURN VALUEUpon successful completion, shmget() shall return a non-negative integer, namely a shared memory identifier; otherwise, it shall return -1 and set errno to indicate the error.

        shmget() 函数用于创建共享内存块，分入传入构造好的 key 值，共享内存块的大小（一般为4KB的整数倍），以及 shmflg 标志位，该标志位采用位图的思想。执行成功返回 shmid ，失败返回-1。

        当我们需要申请创建共享内存块时，一般标志位传入 IPC_CREAT、IPC_EXCL、以及初始权限。

        IPC_CREAT：传入该标志码，系统按照传入的 key值 进行查找，若内存块不存在则创建内存块，若内存块已存在则返回该内存块。

        IPC_EXCL：一般配合 IPC_CREAT 使用，传入该标志码，系统按照传入的 key值 进行查找，若内存块不存在则创建，若内存块存在则报错返回。

3、关联/去关联共享内存块

（1）关联

NAMEshmat - XSI shared memory attach operation
SYNOPSIS#include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
RETURN VALUEUpon successful completion, shmat() shall increment the value of shm_nattch in the data structure associated with the shared memory ID of the attached shared memory segment and return the  segment'sstart address.Otherwise, the shared memory segment shall not be attached, shmat() shall return -1, and errno shall be set to indicate the error.

        shmat() 函数用于将共享内存块链接到进程地址空间，成功时返回共享内存块映射到进程地址空间的内存，失败则返回-1，其中连接内存块的 id，shmaddr为内存块的地址， shmflg为连接时的标志位。

        对于 shmaddr 而言，shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址 ；shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址； shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍； shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存。

        如果对映射后的地址没有要求的话，shmaddr 和 shmflg 分别传入 nullptr 和 0 即可。 

（2）去关联

NAMEshmdt - XSI shared memory detach operation
SYNOPSIS#include <sys/shm.h>int shmdt(const void *shmaddr);
RETURN VALUEUpon successful completion, shmdt() shall decrement the value of shm_nattch in the data structure associated with the shared memory ID of the attached shared memory segment and return 0.Otherwise, the shared memory segment shall not be detached, shmdt() shall return -1, and errno shall be set to indicate the error.

        使用 shmdt() 函数讲进程与共享内存块进行脱离，成功时返回0，失败时返回-1，其中 shmaddr 为执行 shmat() 函数返回的地址。

        进程脱离共享内存块并不等于删除共享内存块。

4、删除共享内存块

SYNOPSIS#include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
RETURN VALUEUpon successful completion, shmctl() shall return 0; otherwise, it shall return -1 and set errno to indicate the error.

        使用 shmtcl() 函数实际是对共享内存块进行控制处理，只有带有IPC_RMID参数才是删除共享内存块。其中 shmid 为目标共享内存块的 id， cmd是采取的动作， buf 则是我们可以将共享内存块针对用户级别的结构体 shmid_ds 属性取出，当是删除操作时，删除成功返回0，失败返回-1。

命令	说明
IPC_STAY	将shmid_ds结构中的数据设置为共享内存块的当前关联值
IPC_SET	在满足权限下，将共享内存块的当前关联值设为为给出的结构体值
IPC_RMID	删除共享内存块

（四）共享内存的优缺点

1、优点

（1）高效性：共享内存允许多个进程直接访问同一块物理内存区域，无需数据复制，减少了内核空间与用户空间之间的上下文切换和内存复制开销，从而提高了通信效率。

（2）快速访问：由于共享内存直接映射到进程的地址空间，进程可以像访问普通内存一样快速读写共享内存中的数据，这使得共享内存在性能上非常高效，适合高效的数据交换场景。

（3）灵活性：共享内存可以用于任意类型的数据，包括结构化数据、对象等，因此非常灵活。

2、缺点

（1）同步问题：多个进程可以同时访问共享内存，因此需要额外的同步机制来确保数据的一致性和完整性，比如信号量、互斥锁等。

（2）安全性：共享内存的使用需要特别小心，因为在没有适当的同步和保护机制的情况下，可能会导致竞争条件和数据损坏。

（五）利用共享内存进行进程间通信

//common.hpp
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#define MAX_SIZE 4096
#define PATH_NAME "."
#define PROC_ID 216
using namespace std;
// 获取key值
key_t getKey()
{key_t key = ftok(PATH_NAME, PROC_ID);if (key == -1){cerr << "getKey:" << strerror(errno) << endl;}return key;
}
// 获取shmId
int getShmHelper(int flag)
{key_t key = getKey();umask(0);int ret = shmget(key, MAX_SIZE, flag);if (ret == -1){cerr << "getShmHelper:" << strerror(errno) << endl;exit(1);}return ret;
}
// 创建Shm
int createShm()
{return getShmHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}
// 获取Shm
int getShm()
{return getShmHelper(IPC_CREAT);
}
// 获取Shm地址
void *attachShm(int shmId)
{void *mem = shmat(shmId, nullptr, 0);if ((long)mem == -1){cerr << "attachShm:" << strerror(errno) << endl;exit(3);}return mem;
}
// 去关联
void detachShm(void *mem)
{int ret = shmdt(mem);if (ret == -1){std::cerr << "shmdt: " << errno << strerror(errno) << std::endl;exit(4);}
}
// 清理Shm
void removeShm(int shmId)
{int ret = shmctl(shmId, IPC_RMID, nullptr);if (ret == -1){cerr << "removeShm:" << strerror(errno) << endl;exit(2);}
}//server.cpp
#include "common.hpp"
int main()
{// 创建shmint shmId = createShm();// 获取共享内存char *mem = (char *)attachShm(shmId);// 读取数据while (true){printf("Server:%s\n ", mem);sleep(1);}// 去关联detachShm(mem);// 清楚shmremoveShm(shmId);
}//client.cpp
#include "common.hpp"
int main()
{// 获取shmint shmId = getShm();// 获取共享内存char *mem = (char *)attachShm(shmId);// 写入数据int cnt = 0;pid_t pid = getpid();snprintf(mem, MAX_SIZE, "i am client process");// 去关联detachShm(mem);
}