本文主要是介绍【Unix编程】进程间通信(IPC),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
进程间通信(IPC,InterProcess Communication)是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC的方式通常有管道(包括无名管道和命名管道)、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。
一、管道
管道,通常指无名管道,是 UNIX 系统IPC最古老的形式。
1、特点:
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它是半双工的(即数据只能在一个方向上流动),具有固定的读端和写端。
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它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信(也是父子进程或者兄弟进程之间)。
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它可以看成是一种特殊的文件,对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件,并不属于其他任何文件系统,并且只存在于内存中。
2、原型:
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当一个管道建立时,它会创建两个文件描述符:fd[0]
为读而打开,fd[1]
为写而打开。如下图:
要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。
3、例子
单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以,通常调用 pipe 的进程接着调用 fork,这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示:
若要数据流从父进程流向子进程,则关闭父进程的读端(
fd[0]
)与子进程的写端(
fd[1]
);反之,则可以使数据流从子进程流向父进程。
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二、FIFO
FIFO,也称为命名管道,它是一种文件类型。
1、特点
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FIFO可以在无关的进程之间交换数据,与无名管道不同。
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FIFO有路径名与之相关联,它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。
2、原型
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其中的 mode 参数与open
函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO,就可以用一般的文件I/O函数操作它。
当 open 一个FIFO时,是否设置非阻塞标志(O_NONBLOCK
)的区别:
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若没有指定
O_NONBLOCK
(默认),只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的,只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。 -
若指定了
O_NONBLOCK
,则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO,其errno置ENXIO。
3、例子
FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据,只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时,FIFO管道中同时清除数据,并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程:
- write_fifo.c
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- read_fifo.c
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在两个终端里用 gcc 分别编译运行上面两个文件,可以看到输出结果如下:
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上述例子可以扩展成 客户进程—服务器进程 通信的实例,write_fifo
的作用类似于客户端,可以打开多个客户端向一个服务器发送请求信息,read_fifo
类似于服务器,它适时监控着FIFO的读端,当有数据时,读出并进行处理,但是有一个关键的问题是,每一个客户端必须预先知道服务器提供的FIFO接口,下图显示了这种安排:
三、消息队列
消息队列,是消息的链接表,存放在内核中。一个消息队列由一个标识符(即队列ID)来标识。
1、特点
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消息队列是面向记录的,其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
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消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时,消息队列及其内容并不会被删除。
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消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。
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在以下两种情况下,msgget
将创建一个新的消息队列:
- 如果没有与键值key相对应的消息队列,并且flag中包含了
IPC_CREAT
标志位。 - key参数为
IPC_PRIVATE
。
函数msgrcv
在读取消息队列时,type参数有下面几种情况:
type == 0
,返回队列中的第一个消息;type > 0
,返回队列中消息类型为 type 的第一个消息;type < 0
,返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息,如果有多个,则取类型值最小的消息。
可以看出,type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值。(其他的参数解释,请自行Google之)
3、例子
下面写了一个简单的使用消息队列进行IPC的例子,服务端程序一直在等待特定类型的消息,当收到该类型的消息以后,发送另一种特定类型的消息作为反馈,客户端读取该反馈并打印出来。
- msg_server.c
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四、信号量
信号量(semaphore)与已经介绍过的 IPC 结构不同,它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步,而不是用于存储进程间通信数据。
1、特点
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信号量用于进程间同步,若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
-
信号量基于操作系统的 PV 操作,程序对信号量的操作都是原子操作。
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每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1,而且可以加减任意正整数。
-
支持信号量组。
2、原型
最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量,这也是信号量最常见的一种形式,叫做二值信号量(Binary Semaphore)。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。
Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作,而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。
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当semget
创建新的信号量集合时,必须指定集合中信号量的个数(即num_sems
),通常为1; 如果是引用一个现有的集合,则将num_sems
指定为 0 。
在semop
函数中,sembuf
结构的定义如下:
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其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量:
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若
sem_op > 0
,表示进程释放相应的资源数,将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量,则换行它们。 -
若
sem_op < 0
,请求 sem_op 的绝对值的资源。- 如果相应的资源数可以满足请求,则将该信号量的值减去sem_op的绝对值,函数成功返回。
- 当相应的资源数不能满足请求时,这个操作与
sem_flg
有关。
- sem_flg 指定
IPC_NOWAIT
,则semop函数出错返回EAGAIN
。 - sem_flg 没有指定
IPC_NOWAIT
,则将该信号量的semncnt值加1,然后进程挂起直到下述情况发生:
- 当相应的资源数可以满足请求,此信号量的semncnt值减1,该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回;
- 此信号量被删除,函数smeop出错返回EIDRM;
- 进程捕捉到信号,并从信号处理函数返回,此情况下将此信号量的semncnt值减1,函数semop出错返回EINTR
- sem_flg 指定
-
若
sem_op == 0
,进程阻塞直到信号量的相应值为0:- 当信号量已经为0,函数立即返回。
- 如果信号量的值不为0,则依据
sem_flg
决定函数动作:
- sem_flg指定
IPC_NOWAIT
,则出错返回EAGAIN
。 - sem_flg没有指定
IPC_NOWAIT
,则将该信号量的semncnt值加1,然后进程挂起直到下述情况发生:
- 信号量值为0,将信号量的semzcnt的值减1,函数semop成功返回;
- 此信号量被删除,函数smeop出错返回EIDRM;
- 进程捕捉到信号,并从信号处理函数返回,在此情况将此信号量的semncnt值减1,函数semop出错返回EINTR
- sem_flg指定
在semctl
函数中的命令有多种,这里就说两个常用的:
SETVAL
:用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。IPC_RMID
:删除一个信号量集合。如果不删除信号量,它将继续在系统中存在,即使程序已经退出,它可能在你下次运行此程序时引发问题,而且信号量是一种有限的资源。
3、例子
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上面的例子如果不加信号量,则父进程会先执行完毕。这里加了信号量让父进程等待子进程执行完以后再执行。
五、共享内存
共享内存(Shared Memory),指两个或多个进程共享一个给定的存储区。
1、特点
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共享内存是最快的一种 IPC,因为进程是直接对内存进行存取。
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因为多个进程可以同时操作,所以需要进行同步。
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信号量+共享内存通常结合在一起使用,信号量用来同步对共享内存的访问。
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当用shmget
函数创建一段共享内存时,必须指定其 size;而如果引用一个已存在的共享内存,则将 size 指定为0 。
当一段共享内存被创建以后,它并不能被任何进程访问。必须使用shmat
函数连接该共享内存到当前进程的地址空间,连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间,随后可像本地空间一样访问。
shmdt
函数是用来断开shmat
建立的连接的。注意,这并不是从系统中删除该共享内存,只是当前进程不能再访问该共享内存而已。
shmctl
函数可以对共享内存执行多种操作,根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID
(从系统中删除该共享内存)。
3、例子
下面这个例子,使用了【共享内存+信号量+消息队列】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。
- 共享内存用来传递数据;
- 信号量用来同步;
- 消息队列用来 在客户端修改了共享内存后 通知服务器读取。
Server.c
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注意:当scanf()
输入字符或字符串时,缓冲区中遗留下了\n
,所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区。但是由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)
(它只是标准C的扩展),所以我们使用了替代方案:
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注释已经很详细了,所以代码的其他部分我就不解释了,下面是运行结果截图:
这篇关于【Unix编程】进程间通信(IPC)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!