Linux：进程间通信

一、关于进程间通信

二、管道

pipe函数

管道的特点

匿名管道

命名管道

mkfifo

三、system v共享内存

shmget函数(创建)

ftok函数(生成key)

shmctl函数(删除)

shmat/dt函数(挂接/去关联)

四、初识信号量

一、关于进程间通信

首先我们都知道，进程运行是具有独立性的，所以两个进程想通信的话，难度较大

进程间通信的本质：

让不同的进程看到同一份资源（内存空间）

这里的能看到的同一块内存，不能属于任何一个进程，而应该是共享的

进程间通信的目的：

为了交互数据、控制、通知等目的

进程间通信的发展：

管道

system V进程间通信

POSIX进程间通信

进程间通信分类：

管道：匿名管道pipe、命名管道

system V IPC：system V 消息队列、共享内存、信号量

POSIX IPC：消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量、读写锁

二、管道

管道是非常古老的进程间通信的形式

管道是计算机通信领域的设计者设计得一种单向通信的方式

从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个管道

管道通信的背后是进程间通过管道进行通信的

下面举个管道的例子，方便理解：

pipe函数

需要用到pipe创建管道，man查看pipe，pipe是系统调用接口

需要的头文件是unistd.h

作用是创建管道

参数是pipefd[2]，是输出型参数，希望通过调用它，得到被打开的文件fd

返回值：创建成功返回0，失败返回-1

代码如下：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>using namespace std;int main()
{// 创建管道int pipefd[2] = {0};// 文件描述符0/1/2分别是stdin/stdout/stderr// 这里的pipefd[0]为3，表示读端// 这里的pipefd[1]为4，表示写端int n = pipe(pipefd);assert(n != -1);// debug下assert起作用，release下不起作用// 所以需要(void)n，表示n被使用过// 如果不(void)n，在release下会被认为n没有被使用(void)n;// 创建子进程pid_t id = fork();assert(id != -1);if (id == 0){// 子进程 -> 读// 构建单向通信的信道，父进程写入，子进程读取// 关闭子进程不需要的fd，关闭写close(pipefd[1]);char buffer[1024]; // 缓冲区，用于读数据while (true)       // 一直循环{// ssize_t类型是long intssize_t s = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (s > 0) // 读成功{// read是系统调用，所以读取完结尾不会有\0，自己加buffer[s] = 0;cout << "子进程[" << getpid() << "]获得父进程的message," << buffer << endl;}}// 最后关闭读close(pipefd[0]);exit(0);}// 父进程 -> 写// 构建单向通信的信道，父进程写入，子进程读取// 关闭父进程不需要的fd，关闭读close(pipefd[0]);int count = 0; // 发送消息的条数string message = "父进程正在发送消息";char send_buffer[1024];while (true){// 构建变化的字符串// 往send_buffer中写入snprintf(send_buffer, sizeof(send_buffer), "%s[%d] : %d",message.c_str(), getpid(), count++);// 写入write(pipefd[1], send_buffer, strlen(send_buffer));// 每次sleep方便观察sleep(1);}pid_t ret = waitpid(id, nullptr, 0);assert(ret > 0);(void)ret;// 最后关闭写close(pipefd[1]);return 0;
}

观察运行结果：

通过结果可以发现，父进程每次写入后，子进程都能读取到，以管道的方式实现了进程间通信

管道的特点

1、管道是用来进行具有血缘关系的进程进行进程间通信的，常用于父子进程

2、管道通过让进程间协同，提供了访问控制

访问控制就是指：如果父进程写的慢，例如上述代码，每隔一秒写一次，子进程即使没有sleep，也只能每隔一秒再读；而如果写的很快，当把缓冲区写满了，在读取前也就不能再继续写了

3、管道提供的是面向流式的通信服务（面向字节流，需要定制协议进行数据区分，后面博客会说到）

流式服务：如果写的很快，读的很慢，读的时候一次就可以读一批消息

4、管道是基于文件的，文件的生命周期是随进程的，所以管道的生命周期也是随进程的

写入的一方的fd如果没有关闭，读取的一方有数据就读，没有数据就等

写入的一方的fd如果关闭了，读取的一方read返回0，表示读到了文件的结尾

5、管道是单向通信的，就是半双工通信的一种特殊情况

半双工通信就是指两个人通信，我发你就不能发，你发我就不能发

下面总结四种情况：

①写端快，读端慢，写满就不能再写了

②写端慢，读端快，管道没有数据时，读端必须等待

③写端关闭fd，读端read返回0，表示读到了文件结尾

④读端关闭fd，写端继续写，OS会自动终止写端

前两种也就是上面提到的访问控制

匿名管道

下面引入一个例子了解匿名管道的使用，一个父进程有5个子进程，父进程与每一个子进程都建立对应的管道，每个子进程内部都有处理任务的方法，如果用户给了一个任务，父进程可以给子进程派发该任务，让子进程完成该任务，也就是实现一个小型的进程池

首先实现Makefile：

ProcPool:ProcPool.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONY:clean
clean:rm -f ProcPool

ProcPool.cc(.cc和.cpp一样)代码：

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <vector>#include "task.hpp"using namespace std;#define PROCESS_NUM 5int waitcommand(int waitfd, bool& q)
{//uint32_t是4字节uint32_t command = 0;//从文件描述符waitfd中读取，读取的内容写到command里ssize_t s = read(waitfd,&command,sizeof(command));if(s == 0){q = true;return -1;}assert(s == sizeof(uint32_t));return command;
}//给一个进程id，通过文件描述符fd，发送命令command
void sendAndExec(pid_t id,int fd, uint32_t command)
{write(fd,&command,sizeof(command));cout << "调用进程[" << id << "] 执行:`" << desc[command] << endl;
}int main()
{//将task中的方法装载进来load();//pair键值对：pid、pipefdvector<pair<pid_t, int>> slots;//创建多个进程for(int i= 0; i < PROCESS_NUM; ++i){//创建管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//这里的(void)n与前一个例子一样的作用//release下，assert就没用了，n会被认为没有使用(void)n;pid_t id = fork();assert(id != -1);//子进程进行读取if(id == 0){//子进程关闭写端close(pipefd[1]);while(true){//false表示不退出bool q = false;//子进程等命令,不发命令，就阻塞int command = waitcommand(pipefd[0], q);//执行对应的命令if(command >= 0 && command < tasksize()){//执行call中command对应的方法call[command]();}else{cout << "非法command: " << command << endl;}}exit(1);}//父进程关闭读端close(pipefd[0]);//存每个子进程的pidslots.push_back(pair<pid_t,int>(id,pipefd[1]));}//父进程派发任务//让数据源更加随机srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 89745213L);while(true){//下面屏蔽的部分是自动选择任务，不需要人为输入//选择任务//int command = rand() % tasksize();//选择进程//int selectID = rand() % slots.size();//将任务交给子进程//sendAndExec(slots[selectID].first,slots[selectID].second,command);//sleep(1);int num;int command;cout << "##########################################" << endl;cout << "#####    1.展示功能    2.发送命令    #####" << endl;cout << "##########################################" << endl;cout << "请输入你的选择：";cin >> num;if(num == 1)show();else if(num == 2){cout << "请选择你的命令：";//选择任务cin >> command;//选择进程int selectID = rand()%slots.size();//将任务交给子进程sendAndExec(slots[selectID].first,slots[selectID].second,command);}}//关闭fd，子进程会退出for(const auto& e : slots){close(e.second);}//等待子进程退出，回收子进程信息for(const auto& e : slots){//默认在阻塞状态去等待子进程waitpid(e.first,nullptr,0);}return 0;
}

Task.hpp

(以hpp结尾，.cc的实现代码混入.h头文件当中，定义与实现都包含在同一文件)

#pragma once#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <functional>
#include <unordered_map>//这里表示func这个函数类型，返回值都是void，没有参数
typedef std::function<void()> func;
//call中存各种func类型的函数
std::vector<func> call;
//desc是描述各个命令编号，所对应的任务名称的
std::unordered_map<int, std::string> desc;void execadd()
{std::cout << "程序[" << getpid() << "] 执行加法操作的任务" << std::endl;
}void execsub()
{std::cout << "程序[" << getpid() << "] 执行减法操作的任务" << std::endl;
}void execmul()
{std::cout << "程序[" << getpid() << "] 执行乘法操作的任务" << std::endl;
}void execdiv()
{std::cout << "程序[" << getpid() << "] 执行除法操作的任务" << std::endl;
}void load()
{//即0号编号的任务是execadddesc.insert({call.size(),"execadd : 加法"});call.push_back(execadd);desc.insert({call.size(),"execsub : 减法"});call.push_back(execsub);desc.insert({call.size(),"execmul : 乘法"});call.push_back(execmul);desc.insert({call.size(),"execdiv : 除法"});call.push_back(execdiv);
}void show()
{for(const auto& e : desc){std::cout << e.first << "->" << e.second << std::endl;}
}int tasksize()
{return call.size();
}

人为输入的结果如下：

自动选择任务的结果如下：

小型的进程池实现完毕

命名管道

关于匿名管道和命名管道，上面所举的例子都是匿名管道，匿名管道缺点是只能由有亲缘关系的进程进行通信，如果想要两个毫不相关的进程进行通信，就需要用到命名管道了

匿名管道和命名管道一样，都是两个进程通过同一份文件，进行通信，只不过看到同一份文件的手段、途径是不一样的

匿名管道是子进程通过继承父进程的方式，打开同一份文件

命名管道是创建一个管道文件，并且让两个不相关的进程打开同一个文件

创建管道文件需要用到mkfifo，可以在指定路径下创建命名管道

man查看：

下面就是创建一个name_pipe的管道文件：

圈中的p就是指管道文件

下面具体演示现象：

首先复制SSH渠道，形成左右两个窗口（即有两个毫不相关的进程），在同一个路径下，：

左边的窗口，先往name_pipe中重定向一句话hello，写到name_pipe中：

这时由于左边的窗口写了内容，但是右边窗口并没有打开，所以此时处于阻塞状态

所以此时右边窗口cat从管道中把数据读取出来：

此时完成了一个进程向另一个进程通过管道的方式写入消息的过程

如果想删除管道文件，可以rm，也可以unlink

mkfifo

man 3 mkfifo查看mkfifo函数

头文件：

sys/types.h和sys/stat.h

参数：

第一个参数pathname，表示特定的路径

第二个参数mode，open时也见过，表示需要指定权限（例如0666，6表示rw-）

返回值：

mkfifo成功了返回0，小于0表示创建失败

下面用样例更清楚的理解命名管道的知识：

创建两个.cc（.cc、.cxx、.cpp是一样的）文件，分别是client.cc和server.cc，分别表示服务器端和顾客端

common.hpp表示client.cc和server.cc必须包含的文件

log.hpp表示每次执行完操作，打印提示信息

makefile当然也是有的，方便操作

下面看具体演示，首先复制一个ssh渠道，让两个毫不相干的进程都在一个路径下（具体代码在演示结果的下面）

左边窗口当做server端，右边窗口当做client端：

左边先运行server：

这时打印显示创建管道文件成功，再在右边窗口运行client：

这时server端会显示打开管道文件成功

接着在client端输入信息，分别输入你好，再见：

这时serve端也会显示对应输入的信息，最后client端Ctrl + c 退出进程：

server端会显示左边红框的信息，整个过程结束

下面是具体代码：

Makefile：

.PHONY:all
all:client serverclient:client.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
server:server.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f client server

common.hpp：

//如果_COMMON_H_不存在就define
#ifndef _COMMON_H_ 
#define _COMMON_H_#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "log.hpp"using namespace std;#define SIZE 128
//设置MODE权限为0666
#define MODE 0666
//设置路劲path为当前路径的fifo.ipc文件
string path = "./fifo.ipc";#endif

log.hpp：

#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_#include <iostream>
#include <ctime>std::ostream &log(std::string message)
{std::cout << " | " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << message;return std::cout;
}#endif

client.cc：

#include "common.hpp"int main()
{//获取管道文件int fd = open(path.c_str(), O_WRONLY);if(fd < 0){perror("open");exit(1);}//通信过程string buffer; while(true){cout << "请输入信息：";getline(cin, buffer);write(fd,buffer.c_str(),buffer.size());}//关闭fdclose(fd);return 0;
}

server.cc

#include "common.hpp"int main()
{//创建管道文件if(mkfifo(path.c_str(), MODE) < 0){perror("mkfifo");exit(1);}log("创建管道文件成功！") << endl;//文件操作int fd = open(path.c_str(), O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");exit(2);}log("打开管道文件成功！") << endl;//编写通信代码char buffer[SIZE];while(true){//清空buffermemset(buffer,'\0',sizeof(buffer));//从管道文件中读取//sizeof(buffer)-1是因为系统接口不考虑\0结尾ssize_t s = read(fd,buffer,sizeof(buffer) - 1);if(s > 0){//读取成功cout << "client :" << buffer << endl;}else if(s == 0){//读到了文件结尾cerr << "读到文件结尾,client和server都退出" << endl;break;}else{//读取失败perror("read");break;}}//关闭文件close(fd);log("关闭管道文件成功！") << endl;//通信完毕就删除文件unlink(path.c_str());log("删除管道文件成功！") << endl;return 0;
}

三、system v共享内存

操作系统提供了共享内存，共享内存的本质：

共享内存 = 共享内存块 + 共享内存对应的内核数据结构

共享内存映射到各自进程的地址空间后，不用经过系统调用，直接可以访问，意味着双方进程要通信，直接进行内存级的读和写即可

shmget函数(创建)

首先共享内存需要用到shmget函数，作用是创建并获取共享内存

man 2 shmget查看：

包含了两个头文件：

sys/ipc.h和sys/shm.h

函数参数：

第一个参数key（key_t其实就是32位的整数类型），是用于保证通信的双方进程看到的是同一份共享内存，key在系统是唯一的，通信双方使用同一个key，只要key值相同，通信双方就是看到了同一个共享内存

第二个参数size，表示要创建的共享内存有多大

第三个参数shmflg，一般由两种选项（IPC_CREAT、IPC_EXCL）

IPC_CREAT：单独使用时，如果底层已经存在，就获取并返回它；如果底层不存在，就创建并返回它

IPC_EXCL：单独使用是无意义的

IPC_CREAT、IPC_EXCL共同使用：如果底层不存在，创建并返回；如果底层已经存在，出错返回

创建共享内存要有权限，还需 | 0666

函数返回值：

成功则返回一个合法的标识符，失败就返回-1

下面具体讲解关于第一个参数key的相关知识

ftok函数(生成key)

为了能够形成唯一的key值，需要用到函数ftok

ftok其实是一套算法，只是为了将pathname和proj_id联合起来，形成一个唯一值

ftok包含头文件sys/types.h和sys/ipc.h

参数pathname是路径，proj_id是项目id（一般是0~255之间）

ftok的返回值成功就返回key，失败返回-1

下面是ftok的使用：

shmserver.cc：

shmclient.cc：

common.hpp：

此时运行代码，观察shmserver.cc和shmclient.cc中创建出来的key值：

通过结果发现，key值相同

共享内存的声明周期是随内核的

查看共享内存：ipcs -m

上图的perm就是权限，nattch与该共享内存关联的进程个数，status是状态

手动删除共享内存：ipcrm -m [shmid]

删除后shmid为0的共享内存就被删除了

这是手动删除共享内存，比较麻烦，也有自动删除共享内存的函数

shmctl函数(删除)

man查看shmctl：

包含头文件sys/ipc.h和sys/shm.h

函数参数：

第一个参数shmid，就是创建的共享内存用户管理的id

第二个参数cmd，有不同的选项，对这个共享内存有不同的操作方案（删除一般用IPC_RMID）

IPC_RMID即使有进程与当前共享内存的shm挂接，依旧删除共享内存

第三个参数通常用于获取共享内存的属性，一般只进行删除操作时，设为空即可

函数返回值：

失败会返回-1，成功会返回0

使用如下（shmid是自己创建的）：

shmat/dt函数(挂接/去关联)

at就是attch的意思

man shmat：

包含头文件sys/types.h和sys/shm.h

shmat函数参数

第一个参数shmid，就是要挂接的共享内存的用户管理的id

第二个参数shmaddr，就是要挂接这个共享内存的虚拟地址（由于虚拟地址我们并不清楚，所以一般设为空，让OS帮我们自由挂接）

第三个参数shmflg，就是挂接共享内存的挂接方式（例如SHM_RDONLY只读，如果是0表示默认）

shmat函数返回值：

成功时会返回挂接成功的共享内存的地址（虚拟地址），失败返回-1

shmdt函数参数：

shmaddr就是刚刚shmat函数成功后的返回值

shmdt函数返回值：

成功返回0，失败返回-1

共享内存总结的结论：

只要通信双方使用共享内存，一方直接向共享内存中写入，另一方马上就能看到对方写入的数据，所以共享内存是所以进程间通信中速度最快的，因为不需要过多的拷贝

与管道不同，共享内存缺乏访问控制，所以会带来并发问题

由于共享内存缺乏访问控制，而管道是有访问控制的，所以我们可以借助管道使得共享内存拥有访问控制

下面例子具体演示（代码下演示结果的下方）

有以下文件：

首先复制SSH渠道，使得两个窗口都处于同一路径下，一端作为server端，一端作为client端：

接着make，创建两个可执行文件：

左边窗口当做server端，右边当做client端：

左边窗口server端显示没有数据，等待中，等待右边窗口client端输入数据

右边输入数据后结果如下：

最后想退出时，client端输入quit即可：

下面是上述例子的代码部分：

Makefile：

.PHONY:all
all:shmclient shmservershmclient:shmclient.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
shmserver:shmserver.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11.PHONY:clean
clean:rm -f shmclient shmserver

log.hpp:

#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_#include <iostream>
#include <ctime>std::ostream &log(std::string message)
{std::cout << " | " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << message;return std::cout;
}#endif

common.hpp:

#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <cassert>
#include <fcntl.h>#include "log.hpp"using namespace std;#define PATH_NAME "/home/fcy"
#define PROJ_ID 0x55
//共享内存的大小最好是页的整数倍(4096)
#define SHM_SIZE 4096
#define FIFO_NAME "./fifo"//由于共享内存没有访问控制
//所以借助管道，实现访问控制
class Init
{
public:Init(){umask(0);int n = mkfifo(FIFO_NAME,0666);assert(n == 0);(void)n;log("创建管道文件成功！");}~Init(){unlink(FIFO_NAME);log("删除管道文件成功！");}
};#define READ O_RDONLY
#define WRITE O_WRONLY//使用下面的函数进行读写操作
int OpenFIFO(std::string pathname, int flags)
{int fd = open(pathname.c_str(),flags);assert(fd >= 0);return fd;
}
//读取需要等待别人写入
void Wait(int fd)
{log("没有数据，等待中") << endl;uint32_t str = 0;ssize_t s = read(fd,&str,sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;
}
//写入信息
int Signal(int fd)
{uint32_t str = 1;ssize_t s = write(fd,&str,sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;log("正在等待输入数据") << endl;}
//关闭该文件描述符
void CloseFIFO(int fd)
{close(fd);
}

shmserver.cc:

#include "common.hpp"//程序加载时自动构建全局变量，自动调用该类的构造函数
//程序退出时，全局变量被析构，自动调用析构函数删除管道文件
Init init;//将10进制数转化为16进制，方便查看共享内存时观察
string Trans(key_t k)
{char buffer[32];snprintf(buffer, sizeof(buffer), "0x%x", k);return buffer;
}int main()
{//创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1);log("创建key成功") << "server key->" << Trans(k) << endl;//创建共享内存，建议创建全新的共享内存int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);if(shmid == -1){perror("shmget");exit(1);}log("创建共享内存成功") << "shmid->" << shmid << endl;//将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);log("挂接共享内存成功") << "shmid->" << shmid << endl;int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME,READ);//将共享内存当做字符串使用for(;;){//刚开始先wait，数据为空，先不读取Wait(fd);printf("%s\n",shmaddr);//当client端不写入了，server端就停止读取共享内存的数据if(strcmp(shmaddr, "quit") == 0)break;}//将指定的共享内存，从自己的地址空间中去除关联int ret = shmdt(shmaddr);assert(ret != -1);(void)ret;log("去关联共享内存成功") << "shmid->" << shmid << endl;//删除共享内存ret = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);assert(ret != -1);(void)ret;log("删除共享内存成功") << "shmid->" << shmid << endl;//关闭文件描述符CloseFIFO(fd);return 0;
}

shmclient.cc:

#include "common.hpp"int main()
{//创建公共的keykey_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);if(k < 0){perror("ftok");exit(1);}log("创建key成功") << "client key->" << k << endl;//获取共享内存int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,0);if(shmid < 0){perror("ftok");exit(2);}log("创建共享内存成功") << "shmid->" << shmid << endl;//挂接共享内存char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);if(shmaddr == nullptr){perror("ftok");exit(3);}log("挂接共享内存成功") << "shmid->" << shmid << endl;int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME,WRITE);//将共享内存当做char类型的bufferwhile(true){ssize_t s = read(0,shmaddr,SHM_SIZE-1);if(s > 0){//将quit后面的回车(\n)变为\0//否则无法判断是quit这个字符串shmaddr[s-1] = 0;Signal(fd);if(strcmp(shmaddr,"quit") == 0)break;}}//关闭CloseFIFO(fd);//将指定的共享内存，从自己的地址空间中去除关联int ret = shmdt(shmaddr);assert(ret != -1);(void)ret;log("去关联共享内存成功") << "shmid->" << shmid << endl;//client不需要删除共享内存return 0;
}