1. 進(jìn)程間通信的概念

在Linux的環(huán)境下，進(jìn)程地址空間是相互獨(dú)立的，每個(gè)進(jìn)程有著各自不同的用戶地址空間。一個(gè)進(jìn)程不能訪問另一個(gè)進(jìn)程中的內(nèi)容，要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換必須要通過內(nèi)核，在內(nèi)核中開辟塊緩沖區(qū)，一個(gè)進(jìn)程將數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)中，另一個(gè)進(jìn)程從內(nèi)核緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)讀走。內(nèi)核提供的這種機(jī)制稱為進(jìn)程間通信（IPC）。

在進(jìn)程間完成數(shù)據(jù)傳輸需要借助操作系統(tǒng)提供的特殊方法，比如文件、管道、FIFO、內(nèi)存映射區(qū)、消息隊(duì)列、信號(hào)、套接字等。如今常用的進(jìn)程間通信主要有管道（最簡單）、信號(hào)（開銷最小）、內(nèi)存映射區(qū)（無血緣關(guān)系）、本地套接字（最穩(wěn)定）。

2. 匿名管道pipe

管道是一種最基本的進(jìn)程間通信機(jī)制，也稱為匿名管道，應(yīng)用于有血緣關(guān)系的進(jìn)程間進(jìn)行通信。管道的本質(zhì)是一塊內(nèi)核緩沖區(qū)，內(nèi)部使用的環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，由兩個(gè)文件描述符進(jìn)行引用，其中一個(gè)表示讀端，另一個(gè)表示寫端。管道的數(shù)據(jù)從管道的寫端流入管道，從讀端流出。當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程都死亡的時(shí)候，管道也會(huì)自動(dòng)消失。管道不管讀端還是寫端默認(rèn)都是阻塞的。管道的默認(rèn)緩沖區(qū)大小為4K，可以使用ulimit -a命令獲取大小。

管道的數(shù)據(jù)一旦被讀走，便不在管道中存在，不可以反復(fù)讀取。管道的數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向上流動(dòng)，如果需要實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)則需要使用兩個(gè)管道。匿名管道只能在有血緣關(guān)系的進(jìn)程中使用。我們用pipe函數(shù)來創(chuàng)建管道。

pipe函數(shù)的原型如下：

       #include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]); // 創(chuàng)建管道

其中pipefd為管道寫端和讀端的文件描述符，其中pipefd[0]為管道讀端的文件描述符，pipefd[1]為管道寫端的文件描述符。當(dāng)函數(shù)調(diào)用成功創(chuàng)建了管道返回0，失敗則返回-1并設(shè)置errno。

在使用匿名管道進(jìn)行通信的時(shí)候，一般是先用pipe函數(shù)創(chuàng)建管道，再使用fork函數(shù)創(chuàng)建子進(jìn)程。這樣父子進(jìn)程就具有了相同的文件描述符，就會(huì)指向同一個(gè)管道。

在管道的通信中，讀寫數(shù)據(jù)也是使用read和write。管道的示例代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <string.h>int main()
{// 創(chuàng)建管道//int pipe(int pipefd[2]);int fd[2];int ret = pipe(fd);if(ret < 0){perror("pipe error");return -1;}// 創(chuàng)建子進(jìn)程pid_t pid = fork();if(pid < 0){perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){// 子進(jìn)程關(guān)閉寫端close(fd[1]);char buf[1024];memset(buf, 0x00, sizeof(buf));sleep(5);read(fd[0], buf, sizeof buf);printf("child: read over, pid = [%d], fpid = [%d], buf = [%s]\n", getpid(), getppid(), buf);}else{// 父進(jìn)程關(guān)閉讀端close(fd[0]);write(fd[1], "helloworld", strlen("helloworld"));printf("father: write over, pid = [%d], fpid = [%d]\n", getpid(), getppid());pid_t wpid = wait(NULL);printf("child [%d] is dead!\n", wpid);}return 0;
}

在shell中我們查詢某一個(gè)進(jìn)程的時(shí)候我們會(huì)使用ps -ef | grep --color=auto bash，這里的|就是管道。我們使用父進(jìn)程進(jìn)程去執(zhí)行ps -ef命令，由于我們需要交給grep去作為輸入，所以在父進(jìn)程中需要將輸出重定向到管道的寫端。子進(jìn)程執(zhí)行grep的時(shí)候會(huì)從輸入進(jìn)行讀取內(nèi)容，因此我們需要將輸入重定向到管道讀端。重定向的時(shí)候需要使用dup2函數(shù)，需要執(zhí)行命令則需要使用execl和execlp函數(shù)，示例程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>int main()
{// 創(chuàng)建管道int pipefd[2];int ret = pipe(pipefd);if(ret < 0){// 創(chuàng)建失敗perror("pipe error");return -1;}// 創(chuàng)建子進(jìn)程pid_t pid = fork();if(pid < 0){// 創(chuàng)建失敗perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){// 子進(jìn)程關(guān)閉寫端close(pipefd[1]);// 將標(biāo)準(zhǔn)輸入重定向到管道讀端dup2(pipefd[0], STDIN_FILENO);execlp("grep", "grep", "--color=auto", "bash", NULL);perror("execlp error");}else {// 父進(jìn)程關(guān)閉讀端close(pipefd[0]);// 將標(biāo)準(zhǔn)輸出重定向到管道寫端dup2(pipefd[1], STDOUT_FILENO);execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);perror("execlp error");}return 0;
}

當(dāng)管道有數(shù)據(jù)的時(shí)候，read可以正常讀，并返回讀出來的字節(jié)數(shù)；當(dāng)管道沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候，若寫端全部關(guān)閉，則read函數(shù)解出阻塞狀態(tài)，返回0，相當(dāng)于讀文件讀到了尾部。若寫端沒有關(guān)閉，則read阻塞。

若讀端全部關(guān)閉，進(jìn)行寫操作的時(shí)候則管道會(huì)破裂，進(jìn)程終止，內(nèi)核會(huì)給當(dāng)前進(jìn)程發(fā)送SIGPIPE信號(hào)。若讀端沒有完全關(guān)閉，緩沖區(qū)寫滿了則write會(huì)阻塞，緩沖區(qū)沒有滿則可以繼續(xù)write。

管道默認(rèn)兩端都是阻塞的，若要設(shè)置為非阻塞，則可以使用前面提過的fcntl函數(shù)。首先使用F_GETFL獲取flags，然后在添加O_NONBLOCK使用F_SETFL設(shè)置即可。當(dāng)讀端設(shè)置為非阻塞狀態(tài)的時(shí)候，會(huì)有以下四種情況：

• 寫端沒有關(guān)閉，管道中沒有數(shù)據(jù)可讀，則read返回-1。
• 寫端沒有關(guān)閉，管道中有數(shù)據(jù)可讀，則read返回實(shí)際讀到的字節(jié)數(shù)。
• 寫端已經(jīng)關(guān)閉，管道中有數(shù)據(jù)可讀，則read返回實(shí)際讀到的字節(jié)數(shù)。
• 寫端已經(jīng)關(guān)閉，管道中沒有數(shù)據(jù)可讀，則read返回0。

設(shè)置的流程為：

int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL, 0);
flags = flags | O_NONBLOCK;
fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);

除了前面使用的ulimit -a可以查看到管道緩沖區(qū)的大小之外，也可以使用fpathconf函數(shù)，該函數(shù)的原型為：

       #include <unistd.h>long fpathconf(int fd, int name); 

這個(gè)函數(shù)會(huì)根據(jù)name的參數(shù)設(shè)置返回文件描述符fd對(duì)應(yīng)文件的配置內(nèi)容。比如獲取管道緩沖區(qū)則需要把name設(shè)置為_PC_PIPE_BUF。如下面查看管道的緩沖區(qū)大小。

printf("pipe size = [%ld]\n", fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF));
printf("pipe size = [%ld]\n", fpathconf(fd[1], _PC_PIPE_BUF));

更多的name參數(shù)設(shè)置可以使用man fpathconf查詢幫助文檔。

3. 命名管道FIFO

使用pipe管道只能實(shí)現(xiàn)有血緣關(guān)系的兩個(gè)進(jìn)程間的通信，那么對(duì)于兩個(gè)沒有血緣關(guān)系的進(jìn)程又應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)呢？則需要這一節(jié)的命名管道FIFO。

FIFO是Linux上基于文件類型的一種通信方式，文件類型為p，但是FIFO在磁盤上并沒有數(shù)據(jù)塊，文件大小為0，僅僅用于標(biāo)識(shí)內(nèi)核中的一條通道。進(jìn)程可以通過read或者write函數(shù)去對(duì)這一條通道進(jìn)行操作，也就是內(nèi)核緩沖區(qū)，這樣就實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間的通信。

要使用命名管道，就得先創(chuàng)建命名管道文件，創(chuàng)建管道文件使用mkfifo函數(shù)，該函數(shù)的原型為：

       #include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

其中參數(shù)第一個(gè)pathname表示管道的路徑名，mode表示權(quán)限，使用一個(gè)三位八進(jìn)制數(shù)表示。創(chuàng)建成功函數(shù)返回0，創(chuàng)建失敗則函數(shù)返回-1并設(shè)置errno。

FIFO嚴(yán)格遵守先進(jìn)先出的規(guī)則，也就是對(duì)于管道的讀總是從管道的開始處返回?cái)?shù)據(jù)，而對(duì)于管道的寫則是添加到末尾。因此命名管道不支持使用lseek等對(duì)文件定位的操作。

使用FIFO完成進(jìn)程間通信的示意圖如下：

既然是兩個(gè)進(jìn)程，也就是說兩個(gè)進(jìn)程中的程序都需要打開管道，也就是需要找到文件。若寫進(jìn)程沒有打開就去使用讀進(jìn)程，則可能因?yàn)楣艿赖奈募淮嬖诙鴪?bào)錯(cuò)。因此我們?cè)谑褂霉艿阑蛘邉?chuàng)建管道之前要先判斷文件是否存在。這個(gè)可以使用access函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)的原型為：

       #include <unistd.h>int access(const char *pathname, int mode);

該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)pathname是文件的路徑，第二個(gè)參數(shù)mode表示要測(cè)試的模式，有四個(gè)參數(shù)可以傳，分別為：

• F_OK： 文件存在
• R_OK：有讀權(quán)限
• W_OK：有寫權(quán)限
• X_OK：有執(zhí)行權(quán)限

當(dāng)有對(duì)應(yīng)的權(quán)限或者文件存在的時(shí)候，該函數(shù)的返回值為0，若沒有對(duì)應(yīng)權(quán)限或者文件不存在則該函數(shù)返回-1。

接下來我們實(shí)現(xiàn)兩個(gè)無血緣關(guān)系之間的進(jìn)程間通信。代碼如下：

fifo_write.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>// FIFO 寫進(jìn)程
int main()
{// 創(chuàng)建FIFO文件// int access(const char *pathname, int mode);int ret = access("./myfifo", F_OK);if(ret < 0){// int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);ret = mkfifo("./myfifo", 0777);if(ret < 0){perror("mkfifo error");return -1;}}// 打開FIFOint fd = open("./myfifo", O_RDWR);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}// 傳輸數(shù)據(jù)char buf[1024] = "hello world";write(fd, buf, strlen(buf));sleep(1);// 關(guān)閉FIFOclose(fd);return 0;
}

fifo_read.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>// FIFO 讀進(jìn)程端
int main()
{// 判斷創(chuàng)建FIFOint ret = access("./myfifo", F_OK);if(ret < 0){int ret = mkfifo("./myfifo", 0777);if(ret < 0){perror("mkfifo error");return -1;}}// 打開FIFOint fd = open("./myfifo", O_RDWR);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}// 接收數(shù)據(jù)char buf[1024];memset(buf, 0x00, sizeof buf);read(fd, buf, sizeof buf);printf("%s\n", buf);// 關(guān)閉FIFOclose(fd);return 0;
}

在上述代碼中，只要運(yùn)行，不管是讀進(jìn)程還是寫進(jìn)程先運(yùn)行，只要寫進(jìn)程沒有往管道中寫數(shù)據(jù)，讀進(jìn)程都會(huì)阻塞在read處。直到寫進(jìn)程調(diào)用write函數(shù)往管道中寫數(shù)據(jù)之后讀進(jìn)程才會(huì)讀出來管道中的數(shù)據(jù)輸出。

4. 內(nèi)存映射區(qū)

內(nèi)存映射區(qū)是將一個(gè)磁盤文件與內(nèi)存空間的一個(gè)緩沖區(qū)向映射。當(dāng)我們?cè)诰彌_區(qū)中讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，就相當(dāng)于在文件中讀取相應(yīng)的字節(jié)。若我們向緩沖區(qū)中寫數(shù)據(jù)，則會(huì)把數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的文件之中。這樣就可以在不使用read函數(shù)和write函數(shù)啊的情況下使用指針完成IO操作。

映射這個(gè)過程可以使用mmap函數(shù)實(shí)現(xiàn)。解除映射可以使用munmap實(shí)現(xiàn)。函數(shù)的原型以及參數(shù)如下：

       #include <sys/mman.h>// 函數(shù)作用: 建立存儲(chǔ)映射區(qū)// 返回值: 成功：返回創(chuàng)建的映射區(qū)首地址//		  失敗： 返回MAP_FAILED宏， 實(shí)際上就是(void *)-1// 參數(shù): addr: 指定映射的起始地址，通常設(shè)為NULL，由系統(tǒng)指定//      length: 映射到內(nèi)存的文件長度//       prot: 映射區(qū)的保護(hù)方式，最常用的有//                PROT_READ   				讀//                PROT_WRITE  				寫//                PROT_READ | PORT_WRITE    讀寫//       flags: 映射區(qū)的特性，可以設(shè)置以下//                MAP_SHARED   寫入映射區(qū)的數(shù)據(jù)會(huì)寫回文件，且允許//							   其它映射改文件的進(jìn)程共享。//                MAP_PRIVATE  對(duì)映射區(qū)的寫入操作會(huì)產(chǎn)生一個(gè)映射區(qū)的復(fù)//  						 	制，對(duì)此區(qū)域所做的修改不會(huì)寫回原文件。//                MAP_ANONYMOUS  匿名映射區(qū)，需要結(jié)合MAP_SHARED使用。// 	      fd: 代表要映射的文件，由open函數(shù)返回的文件描述符//        offset: 以文件開始出的偏移量,必須是4K的整數(shù)倍，通常為0，表示//                從文件頭開始映射void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);// 函數(shù)作用: 釋放由mmap函數(shù)建立的存儲(chǔ)映射區(qū)// 返回值： 成功返回0，失敗返回-1并設(shè)置errno// 參數(shù)： addr: 調(diào)用mmap函數(shù)成功返回的映射區(qū)首地址//  	 length: 映射區(qū)的大小int munmap(void *addr, size_t length);

需要注意到的是，mmap函數(shù)不能開辟長度為0的存儲(chǔ)映射區(qū)。在使用mmap函數(shù)創(chuàng)建映射區(qū)的過程中，隱含著一次對(duì)映射文件的讀操作，將文件讀取到映射區(qū)。當(dāng)我們將flags設(shè)置為MAP_SHARED的時(shí)候，要求映射區(qū)的權(quán)限應(yīng)該小于或者等于文件打開的權(quán)限，這是出于對(duì)映射區(qū)的保護(hù)。而對(duì)于MAP_PRIVATE，則是沒有這個(gè)必要，因?yàn)?code>mmap中的權(quán)限是對(duì)內(nèi)存的限制。

在映射區(qū)建立之后，映射區(qū)的釋放是與文件的關(guān)閉無關(guān)的，所以在映射區(qū)建立之后就可以關(guān)閉文件。在創(chuàng)建映射區(qū)的時(shí)候，使用mmap函數(shù)常常會(huì)出現(xiàn)總線錯(cuò)誤，通常是因?yàn)楣蚕砦募鎯?chǔ)空間大小引起的。所以創(chuàng)建映射區(qū)的時(shí)候出錯(cuò)的概率比較高，因此一定要檢查函數(shù)的返回值，確保映射區(qū)建立成功了再進(jìn)行后續(xù)的操作。使用munmap函數(shù)的時(shí)候，傳入的地址一定要是mmap函數(shù)的返回值，一定不要改變指針的指向。其中函數(shù)的參數(shù)中offset也是需要注意的，不能隨便指定，必須要是4K的整數(shù)倍才行。

下面給出一個(gè)關(guān)于關(guān)于有血緣關(guān)系的進(jìn)程間的通信示例。

//使用mmap完成有血緣關(guān)系進(jìn)程間的通信
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main()
{//使用mmap函數(shù)建立共享映射區(qū)//void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);int fd = open("test.log", O_RDWR);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);void *addr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap error");return -1;}close(fd);//創(chuàng)建子進(jìn)程pid_t pid = fork();if(pid < 0){perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){//子進(jìn)程sleep(2);char *p = (char *)addr;printf("[%s]\n", p);}else{//父進(jìn)程memcpy(addr, "hello world", strlen("hello world"));wait(NULL);}return 0;
}

共享存儲(chǔ)映射區(qū)也可以用于沒有血緣關(guān)系的兩個(gè)進(jìn)程。

寫進(jìn)程

// 使用mmap完成沒有血緣關(guān)系的進(jìn)程間的通信
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>// 寫進(jìn)程
int main()
{// 使用mmap函數(shù)建立共享映射區(qū)int fd = open("test.log", O_RDWR);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);// 建立共享映射區(qū)void *addr = mmap(NULL, len, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap error");return -1;}close(fd);memcpy(addr, "Good morning", strlen("Good morning"));return 0;
}

讀進(jìn)程

// 使用mmap完成沒有血緣關(guān)系的兩個(gè)進(jìn)程間的通信
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>// 讀進(jìn)程端
int main()
{// 使用mmap函數(shù)建立共享映射區(qū)int fd = open("test.log", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open error");return -1;}int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);// 建立共享映射區(qū)void *addr = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap error");return -1;}char *p = (char *)addr;printf("[%s]\n", p);return 0;
}

上面的共享存儲(chǔ)映射區(qū)都是有名字的，我們也可以創(chuàng)建匿名的共享存儲(chǔ)映射區(qū)。匿名映射區(qū)是不需要使用文件去創(chuàng)建的，因此沒有血緣關(guān)系的兩個(gè)進(jìn)程不能使用匿名映射區(qū)通信。在使用匿名共享映射區(qū)的時(shí)候，文件的描述符一般傳為-1。關(guān)于匿名共享映射區(qū)的示例代碼如下：

// 建立匿名共享映射區(qū)
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>int main()
{void *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap error");return -1;}pid_t pid = fork();if(pid < 0){perror("fork error");return -1;}else if(pid == 0){sleep(2);char *p = (char *)addr;printf("[%s]\n", p);}else{memset(addr, 0x00, 4096);memcpy(addr, "hello world", strlen("hello world"));wait(NULL);}return 0;
}

后續(xù)博客關(guān)于函數(shù)原型以及作用均以注釋的形式寫在代碼中以便直觀