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[導(dǎo)讀]linux下的進(jìn)程通信手段基本上是從Unix平臺(tái)上的進(jìn)程通信手段繼承而來(lái)的。而對(duì)Unix發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的兩大主力AT&T的貝爾實(shí)驗(yàn)室及BSD(加州大學(xué)伯克利分校的伯克利軟件發(fā)布中心

linux下的進(jìn)程通信手段基本上是從Unix平臺(tái)上的進(jìn)程通信手段繼承而來(lái)的。而對(duì)Unix發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的兩大主力AT&T的貝爾實(shí)驗(yàn)室及BSD(加州大學(xué)伯克利分校的伯克利軟件發(fā)布中心)在進(jìn)程間通信方面的側(cè)重點(diǎn)有所不同。前者對(duì)Unix早期的進(jìn)程間通信手段進(jìn)行了系統(tǒng)的改進(jìn)和擴(kuò)充,形成了“system V IPC”,通信進(jìn)程局限在單個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi);后者則跳過(guò)了該限制,形成了基于套接口(socket)的進(jìn)程間通信機(jī)制。Linux則把兩者繼承了下來(lái),如圖示:

其中,最初Unix IPC包括:管道、FIFO、信號(hào);System V IPC包括:System V消息隊(duì)列、System V信號(hào)燈、System V共享內(nèi)存區(qū);Posix IPC包括:Posix消息隊(duì)列、Posix信號(hào)燈、Posix共享內(nèi)存區(qū)。有兩點(diǎn)需要簡(jiǎn)單說(shuō)明一下:

1)由于Unix版本的多樣性,電子電氣工程協(xié)會(huì)(IEEE)開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨(dú)立的Unix標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)新的ANSI Unix標(biāo)準(zhǔn)被稱為計(jì)算?肪車(chē)目梢浦殘圓僮饗低辰緱媯≒SOIX)?,F(xiàn)有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)的,而Linux從一開(kāi)始就遵循 POSIX標(biāo)準(zhǔn);

2)BSD并不是沒(méi)有涉足單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信(socket本身就可以用于單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信)。事實(shí)上,很多Unix版本的單機(jī)IPC留有BSD的痕跡,如4.4BSD支持的匿名內(nèi)存映射、4.3+BSD對(duì)可靠信號(hào)語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)等等。

linux下進(jìn)程間通信的幾種主要手段簡(jiǎn)介:

1.管道

管道是進(jìn)程間通信中最古老的方式,它包括無(wú)名管道和有名管道兩種,前者可用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信,即可用于父進(jìn)程和子進(jìn)程間的通信,后者額克服了管道沒(méi)有名字的限制,因此,除具有前者所具有的功能外,它還允許無(wú)親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信,即可用于運(yùn)行于同一臺(tái)機(jī)器上的任意兩個(gè)進(jìn)程間的通信。

無(wú)名管道由pipe()函數(shù)創(chuàng)建:

#include

int pipe(int filedis);

參數(shù)filedis返回兩個(gè)文件描述符:filedes[0]為讀而打開(kāi),filedes為寫(xiě)而打開(kāi)。filedes的輸出是filedes[0]的輸入。

在Linux系統(tǒng)下,有名管道可由兩種方式創(chuàng)建:命令行方式mknod系統(tǒng)調(diào)用和函數(shù)mkfifo。下面的兩種途徑都在當(dāng)前目錄下生成了一個(gè)名為myfifo的有名管道:

方式一:mkfifo("myfifo","rw");

方式二:mknod myfifo p

生成了有名管道后,就可以使用一般的文件I/O函數(shù)如open、close、read、write等來(lái)對(duì)它進(jìn)行操作。

2.消息隊(duì)列

消息隊(duì)列是消息的鏈接表,包括Posix消息隊(duì)列system V消息隊(duì)列。消息隊(duì)列用于運(yùn)行于同一臺(tái)機(jī)器上的進(jìn)程間通信,它和管道很相似,有足夠權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息,被賦予讀權(quán)限的進(jìn)程則可以讀走隊(duì)列中的消息。消息隊(duì)列克服了信號(hào)承載信息量少,管道只能承載無(wú)格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。

我們可以用流管道或者套接口的方式來(lái)取代它。

3.共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是運(yùn)行在同一臺(tái)機(jī)器上的進(jìn)程間通信最快的方式,因?yàn)閿?shù)據(jù)不需要在不同的進(jìn)程間復(fù)制。通常由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存區(qū),其余進(jìn)程對(duì)這塊內(nèi)存區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)。共享內(nèi)存往往與其它通信機(jī)制,如信號(hào)量結(jié)合使用,來(lái)達(dá)到進(jìn)程間的同步及互斥。

首先要用的函數(shù)是shmget,它獲得一個(gè)共享存儲(chǔ)標(biāo)識(shí)符。

#include

#include

#include

int shmget(key_t key, int size, int flag);

這個(gè)函數(shù)有點(diǎn)類似大家熟悉的malloc函數(shù),系統(tǒng)按照請(qǐng)求分配size大小的內(nèi)存用作共享內(nèi)存。linux系統(tǒng)內(nèi)核中每個(gè)IPC結(jié)構(gòu)都有的一個(gè)非負(fù)整數(shù)的標(biāo)識(shí)符,這樣對(duì)一個(gè)消息隊(duì)列發(fā)送消息時(shí)只要引用標(biāo)識(shí)符就可以了。這個(gè)標(biāo)識(shí)符是內(nèi)核由IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字得到的,這個(gè)關(guān)鍵字,就是上面第一個(gè)函數(shù)的key。數(shù)據(jù)類型key_t是在頭文件sys/types.h中定義的,它是一個(gè)長(zhǎng)整形的數(shù)據(jù)。在我們后面的章節(jié)中,還會(huì)碰到這個(gè)關(guān)鍵字。

當(dāng)共享內(nèi)存創(chuàng)建后,其余進(jìn)程可以調(diào)用shmat()將其連接到自身的地址空間中。

void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);

shmid為shmget函數(shù)返回的共享存儲(chǔ)標(biāo)識(shí)符,addr和flag參數(shù)決定了以什么方式來(lái)確定連接的地址,函數(shù)的返回值即是該進(jìn)程數(shù)據(jù)段所連接的實(shí)際地址,進(jìn)程可以對(duì)此進(jìn)程進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

使用共享存儲(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的注意點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)存取的同步,必須確保當(dāng)一個(gè)進(jìn)程去讀取數(shù)據(jù)時(shí),它所想要的數(shù)據(jù)已經(jīng)寫(xiě)好了。通常,信號(hào)量被要來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)共享存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存取的同步,另外,可以通過(guò)使用shmctl函數(shù)設(shè)置共享存儲(chǔ)內(nèi)存的某些標(biāo)志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4. 信號(hào)量

信號(hào)量又稱為信號(hào)燈,它是用來(lái)協(xié)調(diào)不同進(jìn)程間的數(shù)據(jù)對(duì)象的,而最主要的應(yīng)用是前一節(jié)的共享內(nèi)存方式的進(jìn)程間通信。本質(zhì)上,信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器,它用來(lái)記錄對(duì)某個(gè)資源(如共享內(nèi)存)的存取狀況。一般說(shuō)來(lái),為了獲得共享資源,進(jìn)程需要執(zhí)行下列操作:

(1) 測(cè)試控制該資源的信號(hào)量。

(2) 若此信號(hào)量的值為正,則允許進(jìn)行使用該資源。進(jìn)程將進(jìn)號(hào)量減1。

(3) 若此信號(hào)量為0,則該資源目前不可用,進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài),直至信號(hào)量值大于0,進(jìn)程被喚醒,轉(zhuǎn)入步驟(1)。

(4) 當(dāng)進(jìn)程不再使用一個(gè)信號(hào)量控制的資源時(shí),信號(hào)量值加1。如果此時(shí)有進(jìn)程正在睡眠等待此信號(hào)量,則喚醒此進(jìn)程。

維護(hù)信號(hào)量狀態(tài)的是Linux內(nèi)核操作系統(tǒng)而不是用戶進(jìn)程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include/linux /sem.h中看到內(nèi)核用來(lái)維護(hù)信號(hào)量狀態(tài)的各個(gè)結(jié)構(gòu)的定義。信號(hào)量是一個(gè)數(shù)據(jù)集合,用戶可以單獨(dú)使用這一集合的每個(gè)元素。要調(diào)用的第一個(gè)函數(shù)是 semget,用以獲得一個(gè)信號(hào)量ID。

#include

#include

#include

int semget(key_t key, int nsems, int flag);

key是前面講過(guò)的IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字,它將來(lái)決定是創(chuàng)建新的信號(hào)量集合,還是引用一個(gè)現(xiàn)有的信號(hào)量集合。nsems是該集合中的信號(hào)量數(shù)。如果是創(chuàng)建新集合(一般在服務(wù)器中),則必須指定nsems;如果是引用一個(gè)現(xiàn)有的信號(hào)量集合(一般在客戶機(jī)中)則將nsems指定為0。

semctl函數(shù)用來(lái)對(duì)信號(hào)量進(jìn)行操作。

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);

不同的操作是通過(guò)cmd參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在頭文件sem.h中定義了7種不同的操作,實(shí)際編程時(shí)可以參照使用。[!--empirenews.page--]

semop函數(shù)自動(dòng)執(zhí)行信號(hào)量集合上的操作數(shù)組。

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

semoparray是一個(gè)指針,它指向一個(gè)信號(hào)量操作數(shù)組。nops規(guī)定該數(shù)組中操作的數(shù)量。

下面,我們看一個(gè)具體的例子,它創(chuàng)建一個(gè)特定的IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字和一個(gè)信號(hào)量,建立此信號(hào)量的索引,修改索引指向的信號(hào)量的值,最后我們清除信號(hào)量。

5.套接口

套接口(socket)編程是實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)和其他大多數(shù)操作系統(tǒng)中進(jìn)程間通信的主要方式之一。我們熟知的WWW服務(wù)、FTP服務(wù)、 TELNET服務(wù)等都是基于套接口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。除了在異地的計(jì)算機(jī)進(jìn)程間以外,套接口同樣適用于本地同一臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的進(jìn)程間通信。

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