linux进程间通信

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蹄越倪
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1 linux 进程间通信 1. 进程间通信概述 2. 管道通信 3. 信号 4. 共享内存 5. 消息队列

2 1 进程间通信概述进程间通信有如下一些目的 : 数据传输 : 一个进程需要将它的数据发送给另一个进程, 发送的数据量在一个字节到几兆字节之间共享数据 : 多个进程想要操作共享数据, 一个进程对共享数据的修改, 别的进程应该立刻看到通知事件 : 一个进程需要向另一个或一组进程发送消息, 通知它 ( 它们 ) 发生了某种事件 ( 如进程终止时要通知父进程 ) 资源共享 : 多个进程之间共享同样的资源为了作到这一点, 需要内核提供锁和同步机制进程控制 : 有些进程希望完全控制另一个进程的执行 ( 如 Debug 进程 ), 此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常, 并能够及时知道它的状态改变

3 linux 进程间通信 (IPC) 由以下几部分发展而来 : 早期 UNIX 进程间通信基于 System V 进程间通信基于 Socket 进程间通信和 POSIX 进程间通信 UNIX 进程间通信方式包括 : 管道 FIFO 信号 System V 进程间通信方式包括 :System V 消息队列 System V 信号灯 System V 共享内存 POSIX 进程间通信包括 :posix 消息队列 posix 信号灯 posix 共享内存

4 现在 linux 使用的进程间通信方式 : (1) 管道 (pipe) 和有名管道 (FIFO) (2) 信号 (signal) (3) 消息队列 (4) 共享内存 (5) 信号量 (6) 套接字 (socket)

5 2 管道通信普通的 Linux shell 都允许重定向, 而重定向使用的就是管道例如 : ps grep vsftpd 管道是单向的先进先出的无结构的固定大小的字节流, 它把一个进程的标准输出和另一个进程的标准输入连接在一起写进程在管道的尾端写入数据, 读进程在管道的首端读出数据数据读出后将从管道中移走, 其它读进程都不能再读到这些数据管道提供了简单的流控制机制进程试图读空管道时, 在有数据写入管道前, 进程将一直阻塞同样, 管道已经满时, 进程再试图写管道, 在其它进程从管道中移走数据之前, 写进程将一直阻塞管道主要用于不同进程间通信

6 2.1 管道创建与关闭创建一个简单的管道, 可以使用系统调用 pipe( ) 它接受一个参数, 也就是一个包括两个整数的数组如果系统调用成功, 此数组将包括管道使用的两个文件描述符创建一个管道之后, 一般情况下进程将产生一个新的进程系统调用 :pipe( ); 原型 :int pipe( int fd[2] ); 返回值 : 如果系统调用成功, 返回 0 如果系统调用失败返回 -1: errno = EMFILE ( 没有空闲的文件描述符 ) EMFILE ( 系统文件表已满 ) EFAULT (fd 数组无效 )

7 注意 :fd[0] 用于读取管道,fd[1] 用于写入管道图 1 linux 中管道与文件描述符的关系

8 #include <unistd.h> #include <errno.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int pipe_fd[2]; if(pipe(pipe_fd)<0) { printf("pipe create error\n"); return -1; } else printf("pipe create success\n"); close(pipe_fd[0]); close(pipe_fd[1]); }

9 2.2 管道读写管道主要用于不同进程间通信实际上, 通常先创建一个管道, 再通过 fork 函数创建一个子进程图 2 父子进程管道的文件描述符对应关系

10 父进程写入和子进程读的命名管道 : 图 3 关闭父进程 fd[1] 和子进程 [0]

11 2.3 管道读写注意事项可以通过打开两个管道来创建一个双向的管道但需要在子进程中正确地设置文件描述符必须在系统调用 fork( ) 中调用 pipe( ), 否则子进程将不会继承文件描述符当使用半双工管道时, 任何关联的进程都必须共享一个相关的祖先进程因为管道存在于系统内核之中, 所以任何不在创建管道的进程的祖先进程之中的进程都将无法寻址它而在命名管道中却不是这样管道实例见 :pipe_rw.c

12 2.4 标准流管道与 linux 中文件操作有文件流的标准 I/O 一样, 管道的操作也支持基于文件流的模式接口函数如下库函数 :popen(); 原型 : FILE *popen ( char *command, char *type); 返回值 : 如果成功, 返回一个新的文件流如果无法创建进程或者管道, 返回 NULL 管道中数据流的方向是由第二个参数 type 控制的此参数可以是 r 或者 w, 分别代表读或写但不能同时为读和写在 Linux 系统下, 管道将会以参数 type 中第一个字符代表的方式打开所以, 如果你在参数 type 中写入 rw, 管道将会以读的方式打开

13 使用 popen() 创建的管道必须使用 pclose( ) 关闭其实,popen/pclose 和标准文件输入 / 输出流中的 fopen() / fclose() 十分相似库函数 : pclose(); 原型 : int pclose( FILE *stream ); 返回值 : 返回系统调用 wait4( ) 的状态如果 stream 无效, 或者系统调用 wait4( ) 失败, 则返回 -1 注意此库函数等待管道进程运行结束, 然后关闭文件流库函数 pclose( ) 在使用 popen( ) 创建的进程上执行 wait4( ) 函数当它返回时, 它将破坏管道和文件系统

14 #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <fcntl.h> #define BUFSIZE 1024 int main() { FILE *fp; char *cmd = "ps -ef"; char buf[bufsize]; buf[bufsize] = '\0'; if((fp=popen(cmd,"r"))==null) perror("popen"); while((fgets(buf,bufsize,fp))!=null) printf("%s",buf); pclose(fp); exit(0); }

15 2.5 命名管道 (FIFO) 基本概念命名管道和一般的管道基本相同, 但也有一些显著的不同 : 命名管道是在文件系统中作为一个特殊的设备文件而存在的不同祖先的进程之间可以通过管道共享数据当共享管道的进程执行完所有的 I / O 操作以后, 命名管道将继续保存在文件系统中以便以后使用管道只能由相关进程使用, 它们共同的祖先进程创建了管道但是, 通过 FIFO, 不相关的进程也能交换数据

16 2.5.2 命名管道创建与操作名管道创建 #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode) ; 返回 : 若成功则为 0, 若出错则为 -1 一旦已经用 mkfifo 创建了一个 FIFO, 就可用 open 打开它确实, 一般的文件 I / O 函数 (close read write unlink 等 ) 都可用于 FIFO

17 当打开一个 FIFO 时, 非阻塞标志 (O_NONBLOCK) 产生下列影响 : (1) 在一般情况中 ( 没有说明 O_NONBLOCK), 只读打开要阻塞到某个其他进程为写打开此 FIFO 类似, 为写而打开一个 FIFO 要阻塞到某个其他进程为读而打开它 (2) 如果指定了 O_NONBLOCK, 则只读打开立即返回但是, 如果没有进程已经为读而打开一个 FIFO, 那么只写打开将出错返回, 其 errno 是 ENXIO 类似于管道, 若写一个尚无进程为读而打开的 FIFO, 则产生信号 SIGPIPE 若某个 FIFO 的最后一个写进程关闭了该 FIFO, 则将为该 FIFO 的读进程产生一个文件结束标志

18 FIFO 相关出错信息 : EACCES ( 无存取权限 ) EEXIST ( 指定文件不存在 ) ENAMETOOLONG ( 路径名太长 ) ENOENT ( 包含的目录不存在 ) ENOSPC ( 文件系统剩余空间不足 ) ENOTDIR ( 文件路径无效 ) EROFS ( 指定的文件存在于只读文件系统中 ) 实例见 :fifo_write.c fifo_read.c

19 3 信号通信 3.1 信号概述信号是软件中断信号 (signal) 机制是 Unix 系统中最为古老的进程之间的通信机制它用于在一个或多个进程之间传递异步信号很多条件可以产生一个信号当用户按某些终端键时, 产生信号在终端上按 DELETE 键通常产生中断信号 (SIGINT) 这是停止一个已失去控制程序的方法硬件异常产生信号 : 除数为 0 无效的存储访问等等这些条件通常由硬件检测到, 并将其通知内核然后内核为该条件发生时正在运行的进程产生适当的信号例如, 对执行一个无效存储访问的进程产生一个 SIGSEGV

20 进程用 kill( 2 ) 函数可将信号发送给另一个进程或进程组自然, 有些限制 : 接收信号进程和发送信号进程的所有者必须相同, 或发送信号进程的所有者必须是超级用户用户可用 kill( 1 ) 命令将信号发送给其他进程此程序是 kill 函数的界面常用此命令终止一个失控的后台进程当检测到某种软件条件已经发生, 并将其通知有关进程时也产生信号这里并不是指硬件产生条件 ( 如被 0 除 ), 而是软件条件例如 SIGURG ( 在网络连接上传来非规定波特率的数据 ) SIGPIPE ( 在管道的读进程已终止后一个进程写此管道 ), 以及 SIGALRM( 进程所设置的闹钟时间已经超时 )

21 内核为进程生产信号, 来响应不同的事件, 这些事件就是信号源主要的信号源如下 : 异常 : 进程运行过程中出现异常 ; 其它进程 : 一个进程可以向另一个或一组进程发送信号 ; 终端中断 :Ctrl-C,Ctrl-\ 等 ; 作业控制 : 前台后台进程的管理 ; 分配额 :CPU 超时或文件大小突破限制 ; 通知 : 通知进程某事件发生, 如 I/O 就绪等 ; 报警 : 计时器到期

22 Linux 中的信号 : 1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP 6) SIGIOT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1 11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP 21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ 26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR

23 下面是几个常见的信号 SIGHUP: 从终端上发出的结束信号 ; SIGINT: 来自键盘的中断信号 (Ctrl-C); SIGQUIT: 来自键盘的退出信号 (Ctrl-\); SIGFPE: 浮点异常信号 ( 例如浮点运算溢出 ); SIGKILL: 该信号结束接收信号的进程 ; SIGALRM: 进程的定时器到期时, 发送该信号 ; SIGTERM:kill 命令发出的信号 ; SIGCHLD: 标识子进程停止或结束的信号 ; SIGSTOP: 来自键盘 (Ctrl-Z) 或调试程序的停止执行信号

24 可以要求系统在某个信号出现时按照下列三种方式中的一种进行操作 (1) 忽略此信号大多数信号都可使用这种方式进行处理, 但有两种信号却决不能被忽略它们是 : SIGKILL 和 SIGSTOP 这两种信号不能被忽略的原因是 : 它们向超级用户提供一种使进程终止或停止的可靠方法另外, 如果忽略某些由硬件异常产生的信号 ( 例如非法存储访问或除以 0), 则进程的行为是未定义的 (2) 捕捉信号为了做到这一点要通知内核在某种信号发生时, 调用一个用户函数在用户函数中, 可执行用户希望对这种事件进行的处理如果捕捉到 SIGCHLD 信号, 则表示子进程已经终止, 所以此信号的捕捉函数可以调用 waitpid 以取得该子进程的进程 ID 以及它的终止状态 (3) 执行系统默认动作对大多数信号的系统默认动作是终止该进程

25 每一个信号都有一个缺省动作, 它是当进程没有给这个信号指定处理程序时, 内核对信号的处理有 5 种缺省的动作 : 异常终止 (abort): 在进程的当前目录下, 把进程的地址空间内容寄存器内容保存到一个叫做 core 的文件中, 而后终止进程退出 (exit): 不产生 core 文件, 直接终止进程忽略 (ignore): 忽略该信号停止 (stop): 挂起该进程继续 (continue): 如果进程被挂起, 则恢复进程的运行否则, 忽略信号

26 3.2 信号发送与捕捉 kill() 和 raise() kill() 不仅可以中止进程, 也可以向进程发送其他信号与 kill 函数不同的是,raise() 函数运行向进程自身发送信号 #include <sys/types.h> #include <signal.h> int kill(pid_t pid, int signo) ; int raise(int signo) ; 两个函数返回 : 若成功则为 0, 若出错则为 -1

27 kill 的 pid 参数有四种不同的情况 : pid>0 将信号发送给进程 ID 为 pid 的进程 pid == 0 将信号发送给其进程组 I D 等于发送进程的进程组 ID, 而且发送进程有许可权向其发送信号的所有进程 pid < 0 将信号发送给其进程组 ID 等于 pid 绝对值, 而且发送进程有许可权向其发送信号的所有进程如上所述一样, 所有进程并不包括系统进程集中的进程 pid ==-1 POSIX.1 未定义此种情况 kill() 实例见 :kill.c

28 3.2.2 alarm 和 pause 函数使用 alarm 函数可以设置一个时间值 ( 闹钟时间 ), 在将来的某个时刻该时间值会被超过当所设置的时间值被超过后, 产生 SIGALRM 信号如果不忽略或不捕捉此信号, 则其默认动作是终止该进程 #include <unistd.h> unsigned int alarm(unsigned int seconds) ; 返回 :0 或以前设置的闹钟时间的余留秒数

29 参数 seconds 的值是秒数, 经过了指定的 seconds 秒后会产生信号 SIGALRM 每个进程只能有一个闹钟时间如果在调用 alarm 时, 以前已为该进程设置过闹钟时间, 而且它还没有超时, 则该闹钟时间的余留值作为本次 alarm 函数调用的值返回以前登记的闹钟时间则被新值代换如果有以前登记的尚未超过的闹钟时间, 而且 seconds 值是 0, 则取消以前的闹钟时间, 其余留值仍作为函数的返回值

30 pause 函数使调用进程挂起直至捕捉到一个信号 #include <unistd.h> int pause(void); 返回 :-1,errno 设置为 EINTR 只有执行了一个信号处理程序并从其返回时,pause 才返回实例见 :alarm.c

31 3.3 信号的处理当系统捕捉到某个信号时, 可以忽略该信号或是使用指定的处理函数来处理该信号, 或者使用系统默认的方式信号处理的主要方法有两种, 一种是使用简单的 signal 函数, 另一种是使用信号集函数组

32 3.3.1 signal() #include <signal.h> void (*signal (int signo, void (*func)(int)))(int) 返回 : 成功则为以前的信号处理配置, 若出错则为 SIG_ERR func 的值是 : (a) 常数 SIG_IGN, 或 (b) 常数 SIG_DFL, 或 (c) 当接到此信号后要调用的函数的地址如果指定 SIG_IGN, 则向内核表示忽略此信号 ( 有两个信号 SIGKILL 和 SIGSTOP 不能忽略 ) 如果指定 SIG_DFL, 则表示接到此信号后的动作是系统默认动作当指定函数地址时, 我们称此为捕捉此信号我们称此函数为信号处理程序 (signal handler) 或信号捕捉函数 (signal-catching function)

33 signal 函数原型太复杂了, 如果使用下面的 typedef, 则可使其简化 typedef void sign(int); sign *signal(int, handler *); 实例见 :mysignal.c

34 3.3.2 信号集函数组我们需要有一个能表示多个信号信号集 (signal set) 的数据类型将在 sigprocmask() 这样的函数中使用这种数据类型, 以告诉内核不允许发生该信号集中的信号信号集函数组包含几大模块 : 创建函数集登记信号集检测信号集

35 定义信号集 Sigemptyset Sigaddset 设置信号屏蔽位 Sigprocmask 定义信号处理函数 sa_mask sa_handler sigaction 图 4 信号操作一般流程 Sigpending 测试信号

36 创建函数集 #include <signal.h> int sigemptyset(sigset_t * set) ; int sigfillset(sigset_t * set) ; int sigaddset(sigset_t * set,int signo) ; int sigdelset(sigset_t * set,int signo) ; 四个函数返回 : 若成功则为 0, 若出错则为 -1 int sigismember(const sigset_t * set, int signo) ; 返回 : 若真则为 1, 若假则为 0

37 sigemptyset: 初始化信号集合为空 sigfillset: 初始化信号集合为所有信号的集合 sigaddset: 将指定信号添加到现存集中 sigdelset: 从信号集中删除指定信号 sigismember: 查询指定信号是否在信号集合中

38 登记信号集登记信号处理机主要用于决定进程如何处理信号首先要判断出当前进程阻塞能不能传递给该信号的信号集这首先使用 sigprocmask 函数判断检测或更改信号屏蔽字, 然后使用 sigaction 函数改变进程接受到特定信号之后的行为

39 一个进程的信号屏蔽字可以规定当前阻塞而不能递送给该进程的信号集调用函数 sigprocmask 可以检测或更改 ( 或两者 ) 进程的信号屏蔽字 # include <signal.h> int sigprocmask(int how, const sigset_t * set, sigset_t * oset) ; 返回 : 若成功则为 0, 若出错则为 -1 oset 是非空指针, 进程的当前信号屏蔽字通过 oset 返回其次, 若 set 是一个非空指针, 则参数 how 指示如何修改当前信号屏蔽字

40 用 sigprocmask 更改当前信号屏蔽字的方法, how 参数设定 : SIG_BLOCK 该该进程新的信号屏蔽字是其当前信号屏蔽字和 set 指向信号集的并集 set 包含了我们希望阻塞的附加信号 SIG_UNBLOCK 该该进程新的信号屏蔽字是其当前信号屏蔽字和 set 所指向信号集的交集 set 包含了我们希望解除阻塞的信号 SIG_SETMASK 该该进程新的信号屏蔽是 set 指向的值如果 set 是个空指针, 则不改变该进程的信号屏蔽字, how 的值也无意义

41 sigaction 函数的功能是检查或修改 ( 或两者 ) 与指定信号相关联的处理动作此函数取代了 UNIX 早期版本使用的 signal 函数 #include <signal.h> int sigaction(int signo, const struct sigaction * act,struct sigaction * oact) ; 返回 : 若成功则为 0, 若出错则为 -1 参数 signo 是要检测或修改具体动作的信号的编号数若 act 指针非空, 则要修改其动作如果 oact 指针非空, 则系统返回该信号的原先动作此函数使用下列结构 : struct sigaction { } ; void (*sa_handler)(int signo); sigset_t sa_mask; int sa_flags; void (*sa_restore);

42 sa_handler 是一个函数指针, 指定信号关联函数, 可以是自定义处理函数, 还可以 SIG_DFL 或 SIG_IGN sa_mask 是一个信号集, 它可以指定在信号处理程序执行过程中哪些信号应当被阻塞 sa_flags 中包含许多标志位, 是对信号进行处理的各种选项具体如下 : SA_NODEFER\SA_NOMASK: 当捕捉到此信号时, 在执行其信号捕捉函数时, 系统不会自动阻塞此信号 SA_NOCLDSTOP: 进程忽略子进程产生的任何 SIGSTOP SIGTSTP SIGTTIN 和 SIGTTOU 信号 SA_RESTART: 可让重启的系统调用重新起作用 SA_ONESHOT\SA_RESETHAND: 自定义信号只执行一次, 在执行完毕后恢复信号的系统默认动作

43 检测信号集检测信号是信号处理的后续步骤, 但不是必须的 sigpending 函数运行进程检测未决信号 ( 进程不清楚他的存在 ), 并进一步决定对他们做何处理 sigpending 返回对于调用进程被阻塞不能递送和当前未决的信号集 #include <signal.h> int sigpending(sigset_t * set) ; 返回 : 若成功则为 0, 若出错则为 -1 信号集实例见 :sigaction.c

44 4 共享内存共享内存区域是被多个进程共享的一部分物理内存如果多个进程都把该内存区域映射到自己的虚拟地址空间, 则这些进程就都可以直接访问该共享内存区域, 从而可以通过该区域进行通信共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法, 一个进程向共享内存区域写入了数据, 共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容

45 进程一共享内存进程二图 5 共享内存原理示意图

46 共享内存实现分为两个步骤 : 一创建共享内存, 使用 shmget 函数二映射共享内存, 将这段创建的共享内存映射到具体的进程空间去, 使用 shmat 函数

47 系统调用 :shmget( ) ; 原型 :int shmget ( key_t key, int size, int shmflg ); 返回值 : 如果成功, 返回共享内存段标识符如果失败, 则返回 -1: errno = EINVAL ( 无效的内存段大小 ) EEXIST ( 内存段已经存在, 无法创建 ) EIDRM ( 内存段已经被删除 ) ENOENT ( 内存段不存在 ) EACCES ( 权限不够 ) ENOMEM ( 没有足够的内存来创建内存段 )

48 系统调用 :shmat(); 原型 :int shmat ( int shmid, char *shmaddr, int shmflg); 返回值 : 如果成功, 则返回共享内存段连接到进程中的地址如果失败, 则返回 -1: errno = EINVAL ( 无效的 IPC ID 值或者无效的地址 ) ENOMEM ( 没有足够的内存 ) EACCES ( 存取权限不够 )

49 当一个进程不在需要共享的内存段时, 它将会把内存段从其地址空间中脱离系统调用 :shmdt(); 调用原型 :int shmdt ( char *shmaddr ); 返回值 : 如果失败, 则返回 - 1: errno = EINVAL ( 无效的连接地址 ) 共享内存实例见 :shmadd.c

50 5. 消息队列消息队列就是消息的一个链表, 它允许一个或多个进程向它写消息, 一个或多个进程从中读消息具有一定的 FIFO 的特性, 但是可实现消息的随即查询这些消息存在于内核中, 由队列 ID 来标识消息队列的实现包括创建和打开队列添加消息读取消息和控制消息队列这四种操作 msgget: 创建和打开队列, 其消息数量受系统限制 msgsnd: 添加消息, 将消息添加到消息队列尾部 msgrcv: 读取消息, 从消息队列中取走消息 msgctl: 控制消息队列

51 nt msgget (key_t key, int flag) key: 返回新的或已有队列的 ID,IPC_PRIVATE int msgsnd (int msqid, struct msgbuf *msgp, size_t msgsz, int flag) 其中 :msqid 是消息队列的队列 ID; msgp 是消息内容所在的缓冲区 ; msgsz 是消息的大小 ; msgflg 是标志,IPC_NOWAIT 若消息并没有立交发送而调用进程会立即返回

52 struct msgbuf { long mtype; /* type of message */ char mtext[1]; /* message text */ };

53 int msgrcv (int msqid, struct msgbuf *msgp, size_t msgsz,long msgtyp, int flag) msqid 是消息队列的引用标识符 ; msgp 是接收到的消息将要存放的缓冲区 ; msgsz 是消息的大小 ; msgtyp 是期望接收的消息类型 ; msgflg 是标志

54 int msgctl (int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf) msqid 是消息队列的引用标识符 ; cmd 是执行命令 ; buf 是一个缓冲区 cmd 参数指定对于由 msqid 规定的队列要执行的命令 : IPC_STAT 取此队列的 msqid_ds 结构, 并将其存放在 buf 指向的结构中 IPC_SET 按由 buf 指向的结构中的值, 设置与此队列相关的结构中的下列四个字段 : msg_perm.uid msg_perm.gid msg_perm;mode 和 msg_qbytes 此命令只能由下列两种进程执行: 一种是其有效用户 ID 等于 msg_perm.cuid 或 msg_perm.uid; 另一种是具有超级用户特权的进程只有超级用户才能增加 msg_qbytes 的值 IPC_RMID 从系统中删除该消息队列以及仍在该队列上的所有数据这种删除立即生效仍在使用这一消息队列的其他进程在它们下一次试图对此队列进行操作时, 将出错返回 EIDRM 此命令只能由下列两种进程执行 : 一种是其有效用户 ID 等于 msg_perm.cuid 或 msg_perm.uid; 另一种是具有超级用户特权的进程

55 消息队列实例见 :msg.c

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ebook15-10 1 0 10.1 U N I X V 7 4. 3 B S D S V R 3 P O S I X. 1 100 % 10.2 S I G S I G A B RT a b o r t S I G A L R M a l a r m V 7 1 5 S V R 4 4. 3 + B S D 31 < s i g n a l. h > 0 10. 9 k i l l 0 P O S I X. 1 D