目錄

一、進(jìn)程間通信介紹

二、管道

1.什么是管道（pipe）

2.重定向和管道

（1）為什么要有管道的存在

（2）重定向和管道的區(qū)別

3.匿名管道

（1）匿名管道原理?

（2）站在文件描述符角度理解匿名管道

（3）創(chuàng)建匿名管道

（4）匿名管道讀寫規(guī)則

（5）匿名管道特點(diǎn)

（6）匿名管道4種特殊情況

（7）匿名管道大小

4.命名管道

（1）命名管道原理?

（2）創(chuàng)建命名管道

（3）命名管道的數(shù)據(jù)不會(huì)刷新到磁盤

5.匿名管道和命名管道的區(qū)別

三、System V IPC

1.System V標(biāo)準(zhǔn)

2.共享內(nèi)存

（1）原理?

（2）步驟

（3）函數(shù)?

shmget

shmctl

shmat

shmdt

（4）使用

3.共享內(nèi)存和管道區(qū)別?

四、消息隊(duì)列?

1.原理?

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.步驟

4.函數(shù)?

（1）msgget

（2）msgctl

（3）msgsnd

（4）msgrcv

五、信號(hào)量

1.原理?

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.函數(shù)

（1）semget

（2）semctl

（3）semop

六、System V IPC總結(jié)

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一、進(jìn)程間通信介紹

? ? ? ? 之前學(xué)習(xí)的進(jìn)程，都是各自運(yùn)行，互不干擾，進(jìn)程之間沒有協(xié)同。然而有許多場(chǎng)景下是需要進(jìn)程之間相互協(xié)同的，由于進(jìn)程是程序員寫的，因此進(jìn)程之間的協(xié)同本質(zhì)上就是程序員之間的協(xié)同，比如一個(gè)程序員從數(shù)據(jù)庫(kù)里面拿數(shù)據(jù)，另一個(gè)程序員要把從數(shù)據(jù)庫(kù)里面拿到的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，寫成特定格式，還有一個(gè)程序員根據(jù)格式化的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果把這些工作量當(dāng)成意見工作去處理的話，如果其中這三個(gè)環(huán)節(jié)有任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)了，那么這個(gè)工作就進(jìn)行不下去了，需要逐一去排查到底是哪個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)了，耗時(shí)久且效率低。

? ? ? ? 因此把這個(gè)工作可以分為3個(gè)部分，分別讓3個(gè)不同的進(jìn)程去做：1個(gè)進(jìn)程從數(shù)據(jù)庫(kù)拿數(shù)據(jù)，1個(gè)進(jìn)程做數(shù)據(jù)格式化，1個(gè)進(jìn)程做數(shù)據(jù)分析。這就做到了在業(yè)務(wù)層面上用進(jìn)程進(jìn)行解耦。一旦拿數(shù)據(jù)有問題就去找拿數(shù)據(jù)的進(jìn)程，一旦格式化有問題就去找格式化的進(jìn)程，一旦數(shù)據(jù)分析有問題就去找數(shù)據(jù)分析的進(jìn)程。業(yè)務(wù)層面上的解耦能夠增加代碼的可維護(hù)性，這就是進(jìn)程之間的協(xié)同。比如過濾出文件中含字母'i'的行：

cat fdProcess.c運(yùn)行起來就是一個(gè)進(jìn)程，核心工作只是打印數(shù)據(jù)，用grep來過濾含有字母'i'的行，數(shù)據(jù)源是從上一個(gè)進(jìn)程cat fdProcess.c通過管道來交給grep的。這就叫做協(xié)同。

就算是父子進(jìn)程，共享了進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)，寫的時(shí)候都必須分開，用寫時(shí)拷貝來寫。兩個(gè)相互獨(dú)立的進(jìn)程，交互數(shù)據(jù)，成本很高，各自連對(duì)方保存數(shù)據(jù)的地址空間都看不到，因?yàn)楠?dú)立的進(jìn)程使用獨(dú)立的進(jìn)程地址空間，頁(yè)表映射到不同的物理內(nèi)存，所以看不到對(duì)方的數(shù)據(jù)，因此要完成進(jìn)程間通信，不能只在應(yīng)用層解決，必須也要操作系統(tǒng)參與進(jìn)來，要讓操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信方式。

通信的本質(zhì)就是傳遞數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要一個(gè)進(jìn)程向公共資源里面去放，另一個(gè)進(jìn)程從公共資源向外拿，而公共資源還需要有暫存數(shù)據(jù)的能力。這個(gè)公共資源肯定不屬于這兩個(gè)進(jìn)程，因?yàn)檫M(jìn)程具有獨(dú)立性，如果這個(gè)公共資源是進(jìn)程A的，那么進(jìn)程B是看不到的：

從上圖可以看出進(jìn)程間通信有以下3種方式，目的是為了讓不同的進(jìn)程看到同一份資源：

• 管道
• System V進(jìn)程間通信
• POSIX進(jìn)程間通信?

同時(shí)需要先了解以下概念：

數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程

資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的資源。

通知事件：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它（它們）發(fā)生了某種事件（如進(jìn)程終止 時(shí)要通知父進(jìn)程）。

進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行（如Debug進(jìn)程），此時(shí)控制進(jìn)程希望能夠攔截另 一個(gè)進(jìn)程的所有陷入和異常，并能夠及時(shí)知道它的狀態(tài)改變

二、管道

1.什么是管道（pipe）

管道是Unix最古老的進(jìn)程間通信的形式。把從一個(gè)進(jìn)程連接到另一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)流稱為管道，Linux 管道使用豎線'|'連接多個(gè)命令，這被豎線'|'稱為管道符。

當(dāng)在兩個(gè)命令之間設(shè)置管道時(shí)，管道符'|'左邊命令的輸出就變成了右邊命令的輸入。只要第一個(gè)命令向標(biāo)準(zhǔn)輸出寫入，而第二個(gè)命令是從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取，那么這兩個(gè)命令就可以形成一個(gè)管道。大部分的 Linux 命令都可以用來形成管道。

如下所示，對(duì)于命令cat fdProcess.c|grep -i 'i'，管道符'|'之前的進(jìn)程cat fdProcess.c是標(biāo)準(zhǔn)輸入進(jìn)程，管道符'|'之后的進(jìn)程grep -i 'i'是標(biāo)準(zhǔn)輸出進(jìn)程，第一個(gè)命令向標(biāo)準(zhǔn)輸出寫入，第二個(gè)命令是從標(biāo)準(zhǔn)輸入讀取，這兩個(gè)命令形成了管道，管道作用于內(nèi)核。

如果沒有管道，那么這兩條命令就得分兩次執(zhí)行。因此用管道執(zhí)行也能達(dá)到同樣的效果。對(duì)于一些備份壓縮復(fù)制需求的命令就可以避免創(chuàng)建臨時(shí)文件。?

管道特點(diǎn)：

• 命令的語(yǔ)法緊湊并且使用簡(jiǎn)單。
• 管道將多個(gè)命令串聯(lián)到一起完成復(fù)雜任務(wù)。
• 從管道輸出的標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤會(huì)混合到一起。

2.重定向和管道

（1）為什么要有管道的存在

既然有重定向，為什么還要有管道呢？比如如下命令使用重定向?qū)⒖蓤?zhí)行程序process1的輸出都放入file中：

process1 > file

但是如果想讓可執(zhí)行程序process1 的輸出傳遞到可執(zhí)行程序process2呢？需要：

process1 > temp && process2 < temp

這個(gè)命令做了3步：

• 運(yùn)行名為process1?
• 將輸出保存到名為temp的文件中
• 運(yùn)行名為的程序process2，假裝用戶在鍵盤上輸入temp的內(nèi)容。

有沒有發(fā)現(xiàn)這樣做很麻煩，既要?jiǎng)?chuàng)建臨時(shí)文件，又要用戶在鍵盤上輸入呢，但是管道就很簡(jiǎn)單呀：

process1 | process2

的效果和命令process1 > temp && process2 < temp的作用是一樣的。

（2）重定向和管道的區(qū)別

管道也有重定向的作用，因?yàn)樗淖兞藬?shù)據(jù)的輸入輸出方向。沖重定向使用">"將文件和命令連接起來，用文件來接收命令的輸出，而管道使用"I"將命令和命令連接起來，用第二個(gè)命令來接收第一個(gè)命令的輸出。

使用重定向一定要小心一些，如果連續(xù)鍵入如下兩條命令：

cd /usr/bin
ls > less

第一條命令將當(dāng)前目錄切換到了大多數(shù)程序所存放的目錄，第二條命令是告訴 Shell 用 ls 命令的輸出重寫文件 less。因?yàn)?/usr/bin 目錄已經(jīng)包含了名稱為 less的文件，第二條命令用 ls 輸出的文本重寫了 less 程序，因此破壞了文件系統(tǒng)中的 less 程序，這就破壞了less文件。這是使用重定向操作符錯(cuò)誤重寫文件的一個(gè)教訓(xùn)，所以在使用重定向時(shí)要謹(jǐn)慎。

管道分為匿名管道和命名管道。

3.匿名管道

（1）匿名管道原理?

匿名管道僅限于本地父子進(jìn)程之間通信，不支持跨網(wǎng)絡(luò)之間的兩個(gè)進(jìn)程之間的通信。

進(jìn)程在操作文件時(shí)，通過文件描述符找到文件，如果需要讀文件就直接執(zhí)行讀方法。使用fork創(chuàng)建子進(jìn)程之后，那么子進(jìn)程就擁有了自己的PCB，父進(jìn)程指向的struct file文件描述符表結(jié)構(gòu)也需要給子進(jìn)程拷貝一份。

?這是因?yàn)?#xff1a;

• file_struct結(jié)構(gòu)是屬于進(jìn)程的，因?yàn)閒ile_struct能夠讓進(jìn)程看到已經(jīng)打開了多少個(gè)文件以及文件之間的關(guān)系，因此file_struct是屬于進(jìn)程的。file_struct屬于進(jìn)程，那么它一定屬于父進(jìn)程，在創(chuàng)建子進(jìn)程的時(shí)候，也必須為子進(jìn)程復(fù)制這份file_struct結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫M(jìn)程具有獨(dú)立性，所以內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也必須保持獨(dú)立。
• 如果讓子進(jìn)程也看到了父進(jìn)程的文件了，那么父進(jìn)程的文件進(jìn)行讀寫時(shí)，緩沖區(qū)也被子進(jìn)程看到了，這就沒有做好進(jìn)程獨(dú)立性。

因此操作系統(tǒng)會(huì)將這個(gè)結(jié)構(gòu)給子進(jìn)程也拷貝一份:

基于文件的通信方式就叫做管道。進(jìn)程、struct_file、緩沖區(qū)、操作方法等都是操作系統(tǒng)提供的，文件不屬于進(jìn)程，屬于操作系統(tǒng)。父進(jìn)程先打開文件，讓子進(jìn)程繼承，雖然結(jié)構(gòu)上互相獨(dú)立，但它們指向同一個(gè)文件，一個(gè)向文件寫，另一個(gè)從文件讀，兩個(gè)進(jìn)程看到了同一份公共資源，這就滿足了進(jìn)程通信的前提。

（2）站在文件描述符角度理解匿名管道

• 父進(jìn)程創(chuàng)建管道

管道可以看做文件的內(nèi)核緩沖區(qū)，父進(jìn)程創(chuàng)建管道時(shí)，分別以讀方式和寫方式打開同一文件：

• ?父進(jìn)程fork出子進(jìn)程

?當(dāng)父進(jìn)程創(chuàng)建出子進(jìn)程后，父進(jìn)程的所有文件描述符表信息會(huì)被子進(jìn)程繼承，雖然父子進(jìn)程各自擁有獨(dú)立的文件描述符，但是內(nèi)容是一樣的，所以父子進(jìn)程都可以看到曾經(jīng)打開的讀端和寫端進(jìn)行讀寫，不過管道只能單向通信，只能有一個(gè)讀端，一個(gè)寫端。

所以父進(jìn)程一開始就有兩個(gè)文件描述符，一個(gè)讀端，一個(gè)寫端，這樣子進(jìn)程繼承復(fù)制了父進(jìn)程的文件描述符后，也有讀端和寫端。否則如果父進(jìn)程一開始只有讀端，沒有寫端，那么子進(jìn)程也只有讀端，沒有寫端，那么兩個(gè)讀端是不能進(jìn)行讀寫的。

• ?父進(jìn)程關(guān)閉讀端(寫端)，子進(jìn)程關(guān)閉寫端(讀端)

?至于父子進(jìn)程誰(shuí)關(guān)閉讀端，誰(shuí)關(guān)閉寫端，取決于父進(jìn)程讀還是子進(jìn)程讀，現(xiàn)在來看一下父進(jìn)程寫，子進(jìn)程讀的情況，現(xiàn)在關(guān)閉父進(jìn)程的讀端和子進(jìn)程的寫端：

（3）創(chuàng)建匿名管道

第一步：父進(jìn)程使用pipe函數(shù)來創(chuàng)建管道

 #include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);

參數(shù)：pipefd文件描述符數(shù)組，元素個(gè)數(shù)為2，是輸出型參數(shù)，通過這個(gè)參數(shù)讀取到打開的兩個(gè)文件描述符。其中pipefd[0]為讀操作，pipefd[1]為寫操作，且順序不能顛倒。

返回值：成功返回0，失敗返回-1。

現(xiàn)在來創(chuàng)建一個(gè)管道：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{int pipefd[2] = {0};if(pipe(pipefd) != 0)//匿名管道創(chuàng)建失敗{perror("pipe error!");return 1;}printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);return 0;
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

?可以看到文件描述符分別為3和4，因?yàn)?、1、2都被標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤占用了：

第二步：父進(jìn)程fork出子進(jìn)程

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{int pipefd[2] = {0};if(pipe(pipefd) != 0)//匿名管道創(chuàng)建失敗了{(lán)perror("pipe error!");return 1;}printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);if(fork() == 0)//子進(jìn)程{}//父進(jìn)程return 0;
}

第3步：創(chuàng)建單向信道

現(xiàn)在如果想讓父進(jìn)程讀，子進(jìn)程寫，那么就要關(guān)閉父進(jìn)程的寫端和子進(jìn)程的讀端，即關(guān)閉父進(jìn)程的寫文件描述符和子進(jìn)程的讀文件描述符。為了讓子進(jìn)程關(guān)閉讀文件描述符后不要繼續(xù)向后執(zhí)行，使用eixt函數(shù)來終止。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int pipefd[2] = {0};if(pipe(pipefd) != 0)//匿名管道創(chuàng)建失敗了{(lán)perror("pipe error!");return 1;}printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);if(fork() == 0)//子進(jìn)程{close(pipefd[0]);//子進(jìn)程關(guān)閉讀文件描述符exit(0);}//父進(jìn)程close(pipefd[1]);//父進(jìn)程關(guān)閉寫文件描述符return 0;
}

現(xiàn)在已經(jīng)建立了父子進(jìn)程，并且父子進(jìn)程都看到了同一份資源?，F(xiàn)在讓子進(jìn)程寫入，需要調(diào)用write方法，讓父進(jìn)程讀取，需要調(diào)用read方法，write和read方法的使用請(qǐng)參考文章【Linux】-- 基礎(chǔ)IO和動(dòng)靜態(tài)庫(kù)第一章節(jié)第1節(jié)的內(nèi)容?第一章節(jié)第1節(jié)的內(nèi)容。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{int pipefd[2] = {0};if(pipe(pipefd) != 0)//匿名管道創(chuàng)建失敗了{(lán)perror("pipe error!");return 1;}printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);if(fork() == 0)//子進(jìn)程{close(pipefd[0]);//子進(jìn)程關(guān)閉讀文件描述符const char *string_write = "lunch ";while(1){write(pipefd[1],string_write,strlen(string_write));//子進(jìn)程向文件緩沖區(qū)寫,pipe只要有緩沖區(qū)就一直寫入}close(pipefd[1]);exit(0);}//父進(jìn)程close(pipefd[1]);//父進(jìn)程關(guān)閉寫文件描述符while(1){sleep(1);char string_read[64] ={0};size_t readLength = read(pipefd[0],string_read,sizeof(string_read));//父進(jìn)程從文件緩沖區(qū)讀，pipe只要有緩沖區(qū)就一直讀if(readLength == 0)//讀到內(nèi)容為空{(diào)printf("child quit...\n");break;}else if(readLength > 0)//讀到了正常內(nèi)容{string_read[readLength] = 0;printf("child write# %s\n",string_read);}else//讀出錯(cuò){printf("read error...\n");break;}close(pipefd[0]);}return 0;
}

?可以看到執(zhí)行結(jié)果如下，子進(jìn)程寫入，父進(jìn)程讀取：

?對(duì)于字節(jié)流，只要緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，就把緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)全部讀出來，一次讀取一個(gè)字節(jié)。

（4）匿名管道讀寫規(guī)則

pipe2函數(shù)與pipe函數(shù)類似，也是用于創(chuàng)建匿名管道，其函數(shù)原型如下：

int pipe2(int pipefd[2], int flags);

對(duì)于flags：?

• 當(dāng)沒有數(shù)據(jù)可讀時(shí)

O_NONBLOCK disable：read調(diào)用阻塞，即進(jìn)程暫停執(zhí)行，一直等到有數(shù)據(jù)來到為止。
O_NONBLOCK enable：read調(diào)用返回-1，errno值為EAGAIN。

• ?當(dāng)管道滿的時(shí)候

O_NONBLOCK disable： write調(diào)用阻塞，直到有進(jìn)程讀走數(shù)據(jù)
O_NONBLOCK enable：調(diào)用返回-1，errno值為EAGAIN

• 如果所有管道寫端對(duì)應(yīng)的文件描述符被關(guān)閉，則read返回0
• 如果所有管道讀端對(duì)應(yīng)的文件描述符被關(guān)閉，則write操作會(huì)產(chǎn)生信號(hào)SIGPIPE，進(jìn)而可能導(dǎo)致write進(jìn)程退出
• 當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量<=PIPE_BUF時(shí)，linux將保證寫入的原子性。
• 當(dāng)要寫入的數(shù)據(jù)量>PIPE_BUF時(shí)，linux將不再保證寫入的原子性。

（5）匿名管道特點(diǎn)

• 只能用于具有共同祖先的進(jìn)程之間進(jìn)行通信；通常，一個(gè)管道由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，然后該進(jìn)程調(diào)用fork，父、子進(jìn)程之間就可用該管道通信（具有親緣關(guān)系的進(jìn)程，祖孫進(jìn)程也可以）
• 管道提供流式服務(wù)，原子性寫入(讀端讀取的數(shù)據(jù)是任意的，底層沒有對(duì)數(shù)據(jù)做明確分割，報(bào)文段不定，因此是流式服務(wù))
• 父子進(jìn)程退出，管道文件釋放，所以管道的生命周期隨進(jìn)程
• 內(nèi)核會(huì)對(duì)管道操作進(jìn)行同步與互斥
• 管道是半雙工的，數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng)；需要雙方通信時(shí)，需要建立起兩個(gè)管道

（6）匿名管道4種特殊情況

• 讀端不讀或者讀的慢，寫端要等讀端
• 讀端關(guān)閉，寫端收到SIGPIPE信號(hào)直接終止
• 寫端不寫或?qū)懙穆?#xff0c;讀端要等寫端
• 寫端關(guān)閉，讀端讀完pipe內(nèi)部的數(shù)據(jù)然后再讀，會(huì)讀到0，表明讀到文件結(jié)尾

（7）匿名管道大小

?如果讓子進(jìn)程無限循環(huán)每次往管道里寫一個(gè)字符，并且計(jì)數(shù)，父進(jìn)程從管道里面不讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)數(shù)不再增長(zhǎng)時(shí)，計(jì)數(shù)值就為管道的大小：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{int pipefd[2] = {0};if(pipe(pipefd) != 0)//匿名管道創(chuàng)建失敗了{(lán)perror("pipe error!");return 1;}printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);if(fork() == 0)//子進(jìn)程{close(pipefd[0]);//子進(jìn)程關(guān)閉讀文件描述符int count = 0;while(1){write(pipefd[1],"a",1);count++;printf("count:%d\n",count);}close(pipefd[1]);exit(0);}//父進(jìn)程close(pipefd[1]);//父進(jìn)程關(guān)閉寫文件描述符while(1)//父進(jìn)程不讀取{sleep(1);}return 0;
}

?運(yùn)行結(jié)果如下，從1打印到65536：

?這說明管道大小為65536B=64KB。這也說明了如果寫端向管道寫滿數(shù)據(jù)以后，那么寫端就不寫了，等待讀端讀；同理，如果讀端把管道數(shù)據(jù)讀完了，管道沒數(shù)據(jù)，那么讀端就不讀了，等待寫端寫。

?管道在被寫端寫滿以后，讀端要拿走數(shù)據(jù)，如果一次拿走4KB，寫端才會(huì)寫，否則不會(huì)觸發(fā)寫端去寫，為什么是4KB呢？讓父進(jìn)程讀取的時(shí)候，存放數(shù)據(jù)的數(shù)組大小從1KB開始向上遞增到4KB的時(shí)候，寫端才寫：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{int pipefd[2] = {0};if(pipe(pipefd) != 0)//匿名管道創(chuàng)建失敗了{(lán)perror("pipe error!");return 1;}printf("pipefd[0]:%d\n",pipefd[0]);printf("pipefd[1]:%d\n",pipefd[1]);if(fork() == 0)//子進(jìn)程{close(pipefd[0]);//子進(jìn)程關(guān)閉讀文件描述符const char *string_write = "lunch ";int count = 0;while(1){//write(pipefd[1],string_write,strlen(string_write));//子進(jìn)程向文件緩沖區(qū)寫,pipe只要有緩沖區(qū)就一直寫入write(pipefd[1],"a",1);count++;printf("count:%d\n",count);}close(pipefd[1]);exit(0);}//父進(jìn)程close(pipefd[1]);//父進(jìn)程關(guān)閉寫文件描述符while(1){sleep(3);char string_read[1024*4+1] ={0};//按照1024*1   1024*2   1024*3   1024*4向上遞增size_t readLength = read(pipefd[0],string_read,sizeof(string_read));//父進(jìn)程從文件緩沖區(qū)讀，pipe只要有緩沖區(qū)就一直讀printf("readLength = %d\n",readLength);string_read[readLength] = 0;printf("father take:%c\n",string_read[0]);}return 0;
}

可以看到，管道寫入字符的計(jì)數(shù)一開始增加到了65536B，父進(jìn)程讀走4KB之后，子進(jìn)程繼續(xù)寫，每寫一次，count計(jì)數(shù)就會(huì)++ ：

?為什么讀走4KB的時(shí)候，寫端才寫，而讀走1KB 2KB 3KB時(shí)不寫呢？這是因?yàn)橐ＷC寫入和讀取的原子性：假如還沒讀夠4KB，就把寫端喚醒了，那么寫端就要來寫了，這就變成了，寫端在寫的同時(shí)，讀端要來讀，這就違背了管道半雙工通信，不能同時(shí)讀寫的原則。同理，如果寫端寫的特別慢，讀端讀的特別快，當(dāng)緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)等待數(shù)據(jù)寫入進(jìn)去后，讀端再讀 。因此要保證同步。

4.命名管道

（1）命名管道原理?

?匿名管道用于有血緣關(guān)系的進(jìn)程間通信，那么對(duì)于沒有血緣關(guān)系的進(jìn)程，他們之間如何通信呢？這就要用到命名管道，命名管道是一種特殊的文件，使用FIFO(First In First Out)來進(jìn)行通信。

?如何讓兩個(gè)沒有血緣關(guān)系的不相干的進(jìn)程看到操作系統(tǒng)提供的同一份資源？對(duì)于文件系統(tǒng)來說當(dāng)進(jìn)程A把磁盤文件打開，向磁盤里面寫數(shù)據(jù)，寫完之后關(guān)閉這個(gè)磁盤文件，進(jìn)程B再把這個(gè)磁盤文件打開并讀取數(shù)據(jù)：

但是這樣做有點(diǎn)慢，因?yàn)檫M(jìn)程A再內(nèi)存中打開這個(gè)文件，為這個(gè)文件建立內(nèi)存相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和緩沖區(qū)，進(jìn)程B也在內(nèi)存中打開同一個(gè)文件，這樣就是一個(gè)通過讀的方式打開，一個(gè)通過寫的方式打開，進(jìn)程可以向這個(gè)內(nèi)存文件寫，進(jìn)程B可以從這個(gè)內(nèi)存文件讀，暫時(shí)先不把數(shù)據(jù)刷新到磁盤，否則效率會(huì)降低，這是基于內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的通信，那么A進(jìn)程和B進(jìn)程就可以通過這個(gè)內(nèi)存文件進(jìn)行不相關(guān)的進(jìn)程間的通信。

不相關(guān)的A進(jìn)程和B進(jìn)程是如何看到同一份資源的呢？路徑+文件名能唯一指定一個(gè)文件，這樣就能讓進(jìn)程A和進(jìn)程B打開同一份文件?，F(xiàn)在需要1個(gè)文件，同時(shí)滿足：

• 文件被打開時(shí)，數(shù)據(jù)不要被刷新到磁盤上，而是保存臨時(shí)數(shù)據(jù)
• 這個(gè)文件也必須在磁盤上也有對(duì)應(yīng)的文件名

符合這些條件的只有命名管道。而且這個(gè)文件是有名字的，通過路徑+文件名確定唯一性來做到的：

（2）創(chuàng)建命名管道

命名管道有兩種創(chuàng)建方式：?

• 通過mkfifo命令創(chuàng)建

mkfifo name

如創(chuàng)建一個(gè)名為testFifo的管道文件：

?可以看到文件類型為p，p表明這是一個(gè)管道文件。創(chuàng)建了命名管道文件后，就可以通信了：

?echo和cat是兩個(gè)不同的指令，但是運(yùn)行起來是兩個(gè)進(jìn)程，左側(cè)的消息打印到了右側(cè)的屏幕上，一個(gè)進(jìn)程把自己的內(nèi)容寫入到了命名管道文件中，通過命名管道文件把數(shù)據(jù)傳遞給另一個(gè)進(jìn)程。

• 通過mkfifo函數(shù)創(chuàng)建

mkfifo函數(shù)的作用是生成一個(gè)FIFO的特殊文件，即命名管道?

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

pathname：文件名

mode：管道的默認(rèn)權(quán)限，可用過umask來設(shè)置

返回值：成功返回0，失敗返回-1

現(xiàn)在使用mkfifo函數(shù)創(chuàng)建命名管道，server.c創(chuàng)建管道文件，并給管道文件分配權(quán)限：

#include<stdio.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>#define fifo_file ./fifo_fileint main()
{if(mkfifo(fifo_file,0666) < 0)//創(chuàng)建一個(gè)命名管道{perror("mkfifo");return 1;}return 0;
}

client.c暫時(shí)什么都不做：

#include<stdio.h>int main()
{return 0;
}

Makefile一次生成兩個(gè)可執(zhí)行文件：

.PHONY:all
all:client serverclient:client.cgcc -o $@ $^server:server.cgcc -o $@ $^.PHONY:clean
clean:rm -rf client server fifo_file

編譯后，生成兩個(gè)可執(zhí)行程序：

現(xiàn)在通信想讓client和server可執(zhí)行程序互相傳遞詳細(xì)，那么?client和server可執(zhí)行程序運(yùn)行起來就是兩個(gè)進(jìn)程，而且是兩個(gè)毫不相干的進(jìn)程，沒有血緣關(guān)系。

執(zhí)行srver課執(zhí)行程序后，生成fifo_file命名管道，文件類型是p，但是權(quán)限是644，并不是666：

?這是因?yàn)閒ifo文件的參數(shù)mode受系統(tǒng)umask影響，可以查看到Umask的值是2：

?那么可以看出mode = mode & ~umask（666&~002），如果修改umask的值，比如創(chuàng)建命名管道文件時(shí)將umask清0：

server.c

#include<stdio.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#define fifo_file "./fifo_file"int main()
{umask(0);//將umask清0if(mkfifo(fifo_file,0666) < 0)//創(chuàng)建一個(gè)命名管道{perror("mkfifo");return 1;}int fd = open(fifo_file,O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 2;}while(1){char buffer[64] = {0};ssize_t read_length = read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);if(read_length > 0)//讀取成功{buffer[read_length-1] = 0;printf("client # %s\n",buffer);}else if(read_length == 0){printf("client quit\n");}else{perror("read");break;}}close(fd);return 0;
}

這時(shí)可以看到命名管道文件的權(quán)限變成了666：

?對(duì)于client和server進(jìn)程，想讓server讀，client寫，不推薦用c/c++接口，有緩沖區(qū)，而系統(tǒng)調(diào)用沒有緩沖區(qū)，推薦使用系統(tǒng)調(diào)用接口，client使用系統(tǒng)調(diào)用接收標(biāo)準(zhǔn)輸入并寫入到命名管道文件中：

client.c?

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>#define fifo_file "./fifo_file"//client不需要?jiǎng)?chuàng)建命名管道文件，只需要獲取就可以了
int main()
{int fd = open(fifo_file,O_WRONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}while(1){printf("請(qǐng)輸入# ");//client的輸入提示fflush(stdout);//刷新一下標(biāo)準(zhǔn)輸出char buffer[64] = {0};//先把數(shù)據(jù)從標(biāo)準(zhǔn)輸入拿到client進(jìn)程內(nèi)部ssize_t read_length = read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);if(read_length > 0){buffer[read_length-1] = 0;//拿到了數(shù)據(jù)write(fd,buffer,strlen(buffer));}}close(fd);return 0;
}

?現(xiàn)在運(yùn)行，得先讓server跑起來創(chuàng)建一個(gè)命名管道，然后再運(yùn)行client端，就可以再client端寫入數(shù)據(jù)了：

?從以上就可以看出，對(duì)于兩個(gè)不想管的進(jìn)程，通過命名管道，一個(gè)進(jìn)程把消息發(fā)給了另外一個(gè)進(jìn)程。因此一旦有了命名管道，只需要讓通信雙方進(jìn)程按照文件操作即可。由于命名管道也是基于字節(jié)流的，因此實(shí)際上，信息傳遞的時(shí)候，需要通信雙方定制“協(xié)議”。

現(xiàn)在讓client控制server，讓server去執(zhí)行任務(wù)?？梢宰宻erver執(zhí)行程序替換，比如當(dāng)client接收標(biāo)準(zhǔn)輸入寫入到命名管道文件中的字符串為"show"時(shí)，就會(huì)執(zhí)行l(wèi)s命令：

server.c

#include<stdio.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<wait.h>
#include<string.h>
#include<sys/wait.h>#define fifo_file "./fifo_file"int main()
{umask(0);if(mkfifo(fifo_file,0666) < 0)//創(chuàng)建一個(gè)命名管道{perror("mkfifo");return 1;}int fd = open(fifo_file,O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 2;}//業(yè)務(wù)邏輯，進(jìn)行讀寫while(1){char buffer[64] = {0};ssize_t read_length = read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);if(read_length > 0)//讀取成功{buffer[read_length] = 0;if(strcmp(buffer,"show") == 0){printf("the string is show\n");if(fork() == 0){execl("/usr/bin/ls","ls","-l",NULL);//程序替換exit(1);}waitpid(-1,NULL,0);}else{printf("client # %s\n",buffer);}}else if(read_length == 0){printf("client quit\n");}else{perror("read");break;}}close(fd);return 0;
}

client.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>#define fifo_file "./fifo_file"//client不需要?jiǎng)?chuàng)建命名管道文件，只需要獲取就可以了
int main()
{int fd = open(fifo_file,O_WRONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}while(1){printf("請(qǐng)輸入# ");//client的輸入提示fflush(stdout);//刷新一下標(biāo)準(zhǔn)輸出char buffer[64] = {0};//先把數(shù)據(jù)從標(biāo)準(zhǔn)輸入拿到client進(jìn)程內(nèi)部ssize_t read_length = read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);if(read_length > 0){buffer[read_length - 1] = 0;//拿到了數(shù)據(jù)write(fd,buffer,strlen(buffer));}}close(fd);return 0;
}

現(xiàn)在運(yùn)行，得先讓server跑起來創(chuàng)建一個(gè)命名管道，然后再運(yùn)行client端，就可以再client端寫入數(shù)據(jù)了，在client輸入"show"之后，server就將ls的內(nèi)容展示出來了：

?可以看到通過命名管道把數(shù)據(jù)從一個(gè)進(jìn)程傳遞給另外一個(gè)進(jìn)程，并且也實(shí)現(xiàn)了讓一個(gè)進(jìn)程控制了另外一個(gè)進(jìn)程去執(zhí)行任務(wù)，達(dá)到了進(jìn)程間通信的目的。

（3）命名管道的數(shù)據(jù)不會(huì)刷新到磁盤

假如讓server進(jìn)程每隔20秒讀一次，而client不斷往管道發(fā)消息，那么數(shù)據(jù)只能在管道文件：

server.c

#include<stdio.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<wait.h>
#include<string.h>
#include<sys/wait.h>#define fifo_file "./fifo_file"int main()
{umask(0);if(mkfifo(fifo_file,0666) < 0)//創(chuàng)建一個(gè)命名管道{perror("mkfifo");return 1;}int fd = open(fifo_file,O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 2;}//業(yè)務(wù)邏輯，進(jìn)行讀寫while(1){char buffer[64] = {0};sleep(20);//等待20秒再讀ssize_t read_length = read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);if(read_length > 0)//讀取成功{buffer[read_length] = 0;if(strcmp(buffer,"show") == 0){printf("the string is show\n");if(fork() == 0){execl("/usr/bin/ls","ls","-l",NULL);//程序替換exit(1);}waitpid(-1,NULL,0);}else{printf("client # %s\n",buffer);}}else if(read_length == 0){printf("client quit\n");}else{perror("read");break;}}close(fd);return 0;
}

client.c不用修改：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/types.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>#define fifo_file "./fifo_file"//client不需要?jiǎng)?chuàng)建命名管道文件，只需要獲取就可以了
int main()
{int fd = open(fifo_file,O_WRONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}while(1){printf("請(qǐng)輸入# ");//client的輸入提示fflush(stdout);//刷新一下標(biāo)準(zhǔn)輸出char buffer[64] = {0};//先把數(shù)據(jù)從標(biāo)準(zhǔn)輸入拿到client進(jìn)程內(nèi)部ssize_t read_length = read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);if(read_length > 0){buffer[read_length - 1] = 0;//拿到了數(shù)據(jù)write(fd,buffer,strlen(buffer));}}close(fd);return 0;
}

這20秒內(nèi)，client向命名管道寫，但是server沒有從命名管道讀，按理來說，命名管道里面有內(nèi)容，大小不為0，但是在這20秒之內(nèi)發(fā)現(xiàn)命名管道的fifo_file的大小為0，這就說明了命名管道的數(shù)據(jù)，由于效率問題，不會(huì)刷新到磁盤。

5.匿名管道和命名管道的區(qū)別

創(chuàng)建與打開的方式不同：

• 匿名管道由pipe函數(shù)創(chuàng)建并打開
• 命名管道由mkfifo函數(shù)創(chuàng)建，由open函數(shù)打開

后面就有相同的語(yǔ)義了

三、System V IPC

1.System V標(biāo)準(zhǔn)

System V是一種用于在操作系統(tǒng)層面上進(jìn)行進(jìn)程間通信的標(biāo)準(zhǔn)，system V標(biāo)準(zhǔn)給用戶提供了系統(tǒng)調(diào)用接口，只要用戶使用它所提供的系統(tǒng)調(diào)用就可以完成進(jìn)程間通信。IPC（Inter-Process Communication）是進(jìn)程間通信。System V IPC不用基于文件進(jìn)行通信。

如何把系統(tǒng)調(diào)用接口提供給用戶使用呢？System V是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，是為操作系統(tǒng)中多進(jìn)程提供的一種通信方案。但是操作系統(tǒng)不相信任何用戶，采用系統(tǒng)調(diào)用為用戶提供功能。所以System V進(jìn)程間通信，存在專門用來通信的接口：System call（系統(tǒng)調(diào)用）

這就需要制定一套標(biāo)準(zhǔn)用來在同一主機(jī)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)程間通信：System V。System V進(jìn)程間通信分為3種：

• System V消息隊(duì)列
• System V共享內(nèi)存
• System V信號(hào)量

消息隊(duì)列模型通過在協(xié)作進(jìn)程間交換消息來實(shí)現(xiàn)通信。共享內(nèi)存模型會(huì)建立起一塊供協(xié)作進(jìn)程共享的內(nèi)存區(qū)域，進(jìn)程通過向此共享區(qū)域讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)來交換信息。以下是消息隊(duì)列和共享內(nèi)存的通信模型：

?消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)經(jīng)常采用系統(tǒng)調(diào)用，因此需要消耗更多時(shí)間使內(nèi)核介入，但是共享內(nèi)存只在建立共享內(nèi)存區(qū)域時(shí)需要系統(tǒng)調(diào)用，一旦建立共享內(nèi)存，所有訪問都是常規(guī)內(nèi)存訪問，不需要借助內(nèi)核。

由于消息隊(duì)列和共享內(nèi)存用來傳遞消息，信號(hào)量用來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步和互斥。因此主要來看看進(jìn)程間通信方式中效率較高的共享內(nèi)存。

2.共享內(nèi)存

（1）原理?

把申請(qǐng)的共享內(nèi)存映射到不同進(jìn)程的地址空間當(dāng)中。有進(jìn)程A和進(jìn)程B，進(jìn)程A通過頁(yè)表映射找到進(jìn)程A的代碼和數(shù)據(jù)，同樣，進(jìn)程B也通過頁(yè)表映射找到進(jìn)程B的代碼和數(shù)據(jù)，由于兩個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，且物理內(nèi)存當(dāng)中的代碼和數(shù)據(jù)也相互獨(dú)立，因此兩個(gè)進(jìn)程不會(huì)互相干擾。

在物理內(nèi)存開辟一塊共享內(nèi)存空間后，需要通過系統(tǒng)調(diào)用把開辟的內(nèi)存空間經(jīng)過頁(yè)表映射到進(jìn)程地址空間，那么共享內(nèi)存在進(jìn)程地址空間也有了虛擬地址，叫做共享存儲(chǔ)器映射區(qū)，再把共享存儲(chǔ)器映射區(qū)的虛擬地址填到頁(yè)表當(dāng)中，這樣共享內(nèi)存的虛擬地址和物理地址就建立起了對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且各個(gè)進(jìn)程也就看到了共享內(nèi)存同一份資源。

?以上的過程也是讓進(jìn)程掛接到共享內(nèi)存空間上的過程。操作系統(tǒng)內(nèi)可能存在多個(gè)共享內(nèi)存，那么操作系統(tǒng)需要管理這些共享內(nèi)存，管理還是先描述再組織。

?如何保證能夠讓多個(gè)進(jìn)程看到同一個(gè)共享內(nèi)存呢？

?共享內(nèi)存一定要有唯一標(biāo)識(shí)ID，就能讓不同進(jìn)程識(shí)別到同一個(gè)共享內(nèi)存資源。那么這個(gè)ID一定在描述共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

（2）步驟

可以總結(jié)出使用共享內(nèi)存的過程：

• 創(chuàng)建共享內(nèi)存
• 關(guān)聯(lián)（掛接）
• 去關(guān)聯(lián)（去掛接）
• 釋放共享內(nèi)存

（3）函數(shù)?

shmget

使用shmget函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存，來申請(qǐng)一塊共享內(nèi)存空間：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key	通過ftok函數(shù)生成
size	建議為4KB的整數(shù)倍，操作系統(tǒng)為了提高內(nèi)存和硬盤的數(shù)據(jù)交換的速度，以4KB為單位
shmflg	hmflg標(biāo)志有多個(gè)，先了解最常用的兩個(gè)標(biāo)志IPC_CREAT和IPC_EXCL就可以了
返回值	成功就返回共享內(nèi)存地址，失敗就返回-1

?其中，shmget第一個(gè)參數(shù)key是通過ftok函數(shù)生成的：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

pathname	自定義的文件路徑名
proj_id	序號(hào)，低8位被使用，非0
返回值	返回key，會(huì)被設(shè)置進(jìn)共享內(nèi)存在內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面

shmget第三個(gè)參數(shù)shmflg標(biāo)志有多個(gè)，先了解最常用的兩個(gè)標(biāo)志IPC_CREAT和IPC_EXCL就可以了：

?創(chuàng)建共享內(nèi)存后，如何查看共享內(nèi)存呢？ipcs命令用于報(bào)告進(jìn)程間通信設(shè)施狀況，其中：

ipcs -m //查看共享內(nèi)存（Shared Memory Segments）
ipcs -q //查看消息隊(duì)列（Message Queue）
ipcs -s //查看信號(hào)量（Semaphore Arrays）

shmctl

使用完共享內(nèi)存后，如果不刪除的話，共享內(nèi)存會(huì)一直存在，直到系統(tǒng)重啟。如何刪除呢？有兩種刪除方式，一種是命令刪除：

ipcrm -m shmid

key只是用來在系統(tǒng)層面進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，不能用來管理共享內(nèi)存。而shmid是操作系統(tǒng)給用戶返回的id，用來在用戶層進(jìn)行共享內(nèi)存管理，所以ipcrm是用戶層的命令。 以上是命令刪除，那么如何在代碼中刪除共享內(nèi)存呢？

?因此另外一種刪除共享內(nèi)存的方式就是使用shmctl函數(shù)控制共享內(nèi)存：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shmid	操作系統(tǒng)給用戶返回的id
cmd	選項(xiàng)，有多個(gè)
buf	data structure數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型指針
返回值	刪除成功返回0，失敗返回-1

其中cmd選項(xiàng)有多個(gè)：

IPC_STAT	將shmid的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拷貝到buf指向的shmid_ds結(jié)構(gòu)中
IPC_SET	將buf指向的shmid_ds結(jié)構(gòu)的一些成員的值寫入與此共享內(nèi)存段相關(guān)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)更新其shm_ctime成員
IPC_RMID	刪除共享內(nèi)存

第三個(gè)參數(shù)???

?其中，shmid_ds數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct shmid_ds
{struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */time_t          shm_atime;   /* Last attach time */time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */time_t          shm_ctime;   /* Last change time */pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */...
};

shmat

?使用shmat把共享內(nèi)存映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間（關(guān)聯(lián)：增加共享內(nèi)存和進(jìn)程地址空間映射關(guān)系的頁(yè)表項(xiàng)）

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

shmid	操作系統(tǒng)給用戶返回的id
shmaddr	表明把共享內(nèi)存掛接到進(jìn)程地址空間的哪些范圍中?
shmflg	有多個(gè)，先了解最常用的兩個(gè)標(biāo)志IPC_CREAT和IPC_EXCL就可以了，同shmget函數(shù)的shmflg標(biāo)志，這里設(shè)置為0就可以了
返回值	返回共享內(nèi)存掛接到進(jìn)程地址空間的虛擬地址，同申請(qǐng)堆空間的malloc返回值是一樣的

shmdt

?shmdt用來斷開共享內(nèi)存和進(jìn)程地址空間的映射（去關(guān)聯(lián)：刪除共享內(nèi)存和進(jìn)程地址空間映射關(guān)系的頁(yè)表項(xiàng)，而不是釋放共享內(nèi)存）

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>int shmdt(const void *shmaddr);

shmaddr	要斷開映射的共享內(nèi)存地址，且必須和shmat的參數(shù)shmaddr相同
返回值	成功斷開返回0，失敗返回-1

（4）使用

兩個(gè)進(jìn)程使用共享內(nèi)存通信，需要進(jìn)行創(chuàng)建、關(guān)聯(lián)、去關(guān)聯(lián)、刪除的步驟，現(xiàn)在使用上面的函數(shù)來進(jìn)行server和client兩個(gè)進(jìn)程間的通信。

comm.h來包含頭文件

#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>#define PATH_NAME "/home/delia/linux/20230627-sharedMemory/shared/server.c"  //ftok的路徑
#define PROJ_ID 0x6666
#define SIZE 4097

server端需要生成唯一ID，創(chuàng)建共享內(nèi)存，關(guān)聯(lián)共享內(nèi)存，去關(guān)聯(lián)共享內(nèi)存，刪除共享內(nèi)存：

server.c

#include "comm.h"int main()
{key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);//生成唯一ID保證在統(tǒng)一系統(tǒng)當(dāng)中
找到共享內(nèi)存if(key < 0){perror("fork");return 1;}//1.創(chuàng)建共享內(nèi)存int shmid = shmget(key,SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);//共享內(nèi)存不存在就創(chuàng)建，權(quán)限為666，共享內(nèi)存可以用文件權(quán)限來約束if(shmid < 0){perror("shmget");return 2;}printf("key = %u,shmid = %d\n",key,shmid);sleep(1);//2.關(guān)聯(lián)char *mem = shmat(shmid,NULL,0);printf("attaches shm success\n");sleep(15);//通信邏輯while(1){sleep(1);//printf("%s\n",mem);}//3.去關(guān)聯(lián)shmdt(mem);printf("detaches shm success\n");//4.刪除共享內(nèi)存shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);sleep(5);printf("key = %u,shmid = %d after shmctl\n",key,shmid);return 0;
}

client端需要和客戶端一樣生成同一個(gè)唯一ID，創(chuàng)建使用同一個(gè)共享內(nèi)存，關(guān)聯(lián)共享內(nèi)存，去關(guān)聯(lián)共享內(nèi)存，不需要?jiǎng)h除共享內(nèi)存，因?yàn)閟erver端已經(jīng)刪除了：

client.c

#include "comm.h"int main()
{key_t key = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);//生成唯一ID保證在統(tǒng)一系統(tǒng)當(dāng)中
找到共享內(nèi)存if(key < 0){perror("ftok");return 1;}printf("%u\n",key);//1.創(chuàng)建共享內(nèi)存int shmid = shmget(key,SIZE,IPC_CREAT);//共享內(nèi)存已存在就返回已存在共享內(nèi)存if(shmid < 0){perror("shmget");return 2;}//2.關(guān)聯(lián)char *mem = shmat(shmid,NULL,0);sleep(5);printf("client process attaches success\n");//通信邏輯char c = 'A';while(c <= 'G'){mem[c - 'A'] = c;c++;mem[c - 'A'] = 0;sleep(2);}//3.去關(guān)聯(lián)shmdt(mem);printf("client process detaches success\n");return 0;
}

?Makefile

.PHONY:all
all:server clientserver:server.cgcc -o $@ $^
client:client.cgcc -o $@ $^.PHONY:clean
clean:rm -f server client

make之后，使用命令

while :; do ipcs -m;sleep 1;echo "#################"; done

來查看共享內(nèi)存的掛接進(jìn)程的數(shù)量變化：當(dāng)server端和client端進(jìn)程都沒有開啟時(shí)，看到共享內(nèi)存信息的nattch的個(gè)數(shù)為0，當(dāng)server和client端都運(yùn)行起來之后，發(fā)現(xiàn)nattch的個(gè)數(shù)變成了2，client所寫的消息就會(huì)被server讀取，當(dāng)client端去關(guān)聯(lián)之后，nattch變成了1，最后當(dāng)server端退出時(shí)，共享內(nèi)存被刪除，nattch又變成了0：

key	系統(tǒng)區(qū)別各個(gè)共享內(nèi)存的唯一標(biāo)識(shí)
shmid	共享內(nèi)存的用戶層id（句柄）
owner	共享內(nèi)存的擁有者
perms	共享內(nèi)存的權(quán)限
bytes	共享內(nèi)存的大小
nattch	關(guān)聯(lián)共享內(nèi)存的進(jìn)程數(shù)
status	共享內(nèi)存的狀態(tài)

從以上可以看出，共享內(nèi)存有以下特點(diǎn)：

• 共享內(nèi)存一旦建立好并映射進(jìn)自己進(jìn)程的地址空間，該進(jìn)程就可以看到該共享內(nèi)存，就像malloc的空間一樣，不需要任何系統(tǒng)調(diào)用接口(比如read、write會(huì)將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶或從用戶拷貝到內(nèi)核)。
• 共享內(nèi)存是所有進(jìn)程間通信中速度最快的，這是因?yàn)閷⒁粔K共享內(nèi)存映射到不同的進(jìn)程地址空間，共享內(nèi)存地址對(duì)應(yīng)在內(nèi)存上的空間就拿到了，所以server和Client有任何一方寫了，另一方馬上就看到了。
• 生命周期隨內(nèi)核，而且不提供同步互斥機(jī)制，需要程序員自行保證數(shù)據(jù)的安全。

3.共享內(nèi)存和管道區(qū)別?

從共享內(nèi)存的特點(diǎn)可以看出：

（1）創(chuàng)建好共享內(nèi)存后，就不需要再調(diào)用系統(tǒng)接口進(jìn)行通信了， 而管道創(chuàng)建好后還需要調(diào)用read、write等系統(tǒng)接口進(jìn)行通信。

（2） 共享內(nèi)存沒有同步互斥機(jī)制，但是管道有同步互斥機(jī)制。

（3）共享內(nèi)存是所有進(jìn)程間通信方式中速度最快的，將數(shù)據(jù)從一個(gè)進(jìn)程傳輸帶另一個(gè)進(jìn)程，管道需要進(jìn)行4次拷貝，共享內(nèi)存需要進(jìn)行2次拷貝，共享內(nèi)存需要的拷貝次數(shù)少。

使用管道，將文件從一個(gè)進(jìn)程傳到另一個(gè)進(jìn)程需要4次拷貝：

• 服務(wù)端把信息從輸入文件復(fù)制到服務(wù)端的臨時(shí)緩沖區(qū)
• 把服務(wù)端的臨時(shí)緩沖區(qū)信息復(fù)制到管道中
• 客戶端把信息從管道復(fù)制到客戶端的緩沖區(qū)
• 把客戶端臨時(shí)緩沖區(qū)的信息復(fù)制到輸出文件中

?使用共享內(nèi)存，將文件從一個(gè)進(jìn)程傳到另一個(gè)進(jìn)程需要2次拷貝：

• 將信息從輸入文件拷貝到共享內(nèi)存
• 將信息從共享內(nèi)存拷貝到輸出文件

四、消息隊(duì)列?

1.原理?

消息隊(duì)列是一個(gè)消息的鏈表，可以把消息看作一個(gè)記錄，具有特定的格式以及特定的優(yōu)先級(jí)。對(duì)消息隊(duì)列有寫權(quán)限的進(jìn)程可以向消息隊(duì)列中按照一定的規(guī)則添加新消息，對(duì)消息隊(duì)列有讀權(quán)限的進(jìn)程則可以從消息隊(duì)列中讀走消息。消息隊(duì)列的生命周期是隨內(nèi)核的。?

隊(duì)列的每個(gè)成員都是數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含類型和信息兩部分。這個(gè)隊(duì)列也遵循先進(jìn)先出，即從隊(duì)頭讀取消息，向隊(duì)尾寫入消息：

每個(gè)數(shù)據(jù)塊都有類型，這就說明，各個(gè)數(shù)據(jù)塊的類型可以不同，因此，接收者進(jìn)程接收的數(shù)據(jù)塊可以有不同的類型值。消息隊(duì)列的資源必須手動(dòng)刪除，因?yàn)閟ystem V IPC資源的生命周期是隨內(nèi)核的。

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

?消息對(duì)中的數(shù)據(jù)塊如何管理呢？還是先描述，再組織。使用命令：

cat /usr/include/linux/msg.h

就能夠看到消息隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：?

struct msqid_ds 
{ struct ipc_perm msg_perm;     /* Ownership and permissions */time_t          msg_stime;    /* Time of last msgsnd(2) */time_t          msg_rtime;    /* Time of last msgrcv(2) */time_t          msg_ctime;    /* Time of last change */unsigned long   __msg_cbytes; /* Current number of bytes inqueue (nonstandard) */msgqnum_t       msg_qnum;     /* Current number of messagesin queue */msglen_t        msg_qbytes;   /* Maximum number of bytesallowed in queue */pid_t           msg_lspid;    /* PID of last msgsnd(2) */pid_t           msg_lrpid;    /* PID of last msgrcv(2) */
};

?第一個(gè)ipc_perm?結(jié)構(gòu)體是不是有點(diǎn)熟悉呢？它和shm_perm是同類型的結(jié)構(gòu)體，使用命令：

cat /usr/include/linux/ipc.h

就能夠看到ipc_perm 的結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct ipc_perm 
{key_t          __key;       /* Key supplied to msgget(2) */uid_t          uid;         /* Effective UID of owner */gid_t          gid;         /* Effective GID of owner */uid_t          cuid;        /* Effective UID of creator */gid_t          cgid;        /* Effective GID of creator */unsigned short mode;        /* Permissions */unsigned short __seq;       /* Sequence number */
};

3.步驟

消息隊(duì)列使用過程如下：?

• 創(chuàng)建
• 發(fā)送
• 接收
• 釋放

4.函數(shù)?

（1）msgget

使用msgget來創(chuàng)建消息隊(duì)列：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int msgget(key_t key, int msgflg);

key	通過ftok函數(shù)生成
msgflg	msgflg標(biāo)志有多個(gè)，先了解最常用的兩個(gè)標(biāo)志IPC_CREAT和IPC_EXCL就可以了
返回值	創(chuàng)建成功就返回消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符，失敗就返回-1

同shmget一樣，msgget第一個(gè)參數(shù)key是通過ftok函數(shù)生成的：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

pathname	自定義的文件路徑名
proj_id	序號(hào)，低8位被使用，非0
返回值	返回key，會(huì)被設(shè)置進(jìn)共享內(nèi)存在內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面

msgget第三個(gè)參數(shù)msgflg標(biāo)志有多個(gè)，先了解最常用的兩個(gè)標(biāo)志IPC_CREAT和IPC_EXCL就可以了：

（2）msgctl

使用msgctl來釋放消息隊(duì)列：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

使用完消息隊(duì)列后，如果不刪除的話，消息隊(duì)列會(huì)一直存在，直到系統(tǒng)重啟。如何刪除呢？有兩種刪除方式，一種是命令刪除：

ipcrm -q msqid

那么如何在代碼中刪除共享內(nèi)存呢？因此另外一種刪除消息隊(duì)列的方式就是使用msgctl函數(shù)控制消息隊(duì)列：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

msqid	消息隊(duì)列的用戶層id
cmd	選項(xiàng)，有多個(gè)
buf	data structure數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型指針
返回值	刪除成功返回0，失敗返回-1

其中cmd選項(xiàng)有多個(gè)：?

IPC_STAT	將msqid的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拷貝到buf指向的msqid_ds結(jié)構(gòu)中
IPC_SET	將buf指向的msqid_ds結(jié)構(gòu)的一些成員的值寫入與此共享內(nèi)存段相關(guān)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)更新其msq_ctime成員
IPC_RMID	刪除共享內(nèi)存

（3）msgsnd

使用msgsnd向消息隊(duì)列發(fā)送數(shù)據(jù)：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

msqid	操作系統(tǒng)給用戶返回的id
msgp	待發(fā)送數(shù)據(jù)塊
msgsz	待發(fā)送數(shù)據(jù)塊大小
msgflg	發(fā)送數(shù)據(jù)塊的方式，一般為0
返回值	0表示調(diào)用成功，-1表示調(diào)用失敗

其中第二個(gè)參數(shù)msgp的結(jié)構(gòu)為：

struct msgbuf{long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1];    /* message data */
};

其中mutex為待發(fā)送的信息，mutex大小可以由我們自己指定。

（4）msgrcv

使用msgrcv從消息隊(duì)列獲取消息：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);

msqid	操作系統(tǒng)給用戶返回的id
msgp	獲取到的數(shù)據(jù)塊
msgsz	獲取到的數(shù)據(jù)塊大小
msgtyp	獲取到的數(shù)據(jù)塊的類型
msgflg	獲取數(shù)據(jù)塊的方式，一般為0
返回值	>0表示實(shí)際獲取的字節(jié)數(shù)，-1表示調(diào)用失敗

?

五、信號(hào)量

1.原理?

前面的管道、共享內(nèi)存、消息隊(duì)列都以傳輸數(shù)據(jù)為目的，但是信號(hào)量不以傳輸數(shù)據(jù)為目的，通過共享資源的方式，來達(dá)到多個(gè)進(jìn)程同步互斥的目的。?

信號(hào)量，有時(shí)被稱為信號(hào)燈，是在多線程環(huán)境下使用的一種設(shè)施，是可以用來保證兩個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵代碼段不被并發(fā)調(diào)用。在進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵代碼段之前，線程必須獲取一個(gè)信號(hào)量；一旦該關(guān)鍵代碼段完成了，那么該線程必須釋放信號(hào)量。其它想進(jìn)入該關(guān)鍵代碼段的線程必須等待直到第一個(gè)線程釋放信號(hào)量。本質(zhì)就是一個(gè)計(jì)數(shù)器，衡量臨界資源中的資源數(shù)。

這就像坐火車一樣，并不是因?yàn)樽谧簧?#xff0c;這個(gè)作為才屬于某一個(gè)人，而是買了票的時(shí)候，這個(gè)作為就已經(jīng)屬于買票的人了，因此買票的本質(zhì)就是對(duì)臨界資源的預(yù)訂，票的數(shù)量就是信號(hào)量。如以下代碼：

?

信號(hào)量相關(guān)概念：

• 臨界資源：被多個(gè)執(zhí)行流同時(shí)訪問的資源，一次只允許一個(gè)進(jìn)程使用。比如管道、共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、信號(hào)量。
• 臨界區(qū)：進(jìn)程中訪問臨界資源的代碼（和臨界資源配套）為了保護(hù)數(shù)據(jù)安全，就要把臨界區(qū)保護(hù)起來，就有了信號(hào)量。
• 原子性：一件事情要么做完，要么不做，沒有中間狀態(tài)。
• IPC資源必須刪除，否則不會(huì)自動(dòng)清除，除非重啟，所以system V IPC資源的生命周期隨內(nèi)核。

?信號(hào)量本質(zhì)是對(duì)臨界資源的統(tǒng)計(jì)，更是操作系統(tǒng)對(duì)臨界資源的預(yù)定機(jī)制，信號(hào)量要誒預(yù)訂，所有線程要訪問臨界資源，得先申請(qǐng)信號(hào)量，那么所有的進(jìn)程就得先看到信號(hào)量，信號(hào)量就是臨界資源，要保護(hù)信號(hào)量這個(gè)臨界資源，信號(hào)量的常見操作即PV操作就必須保證原子性。

2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

使用命令：

cat /usr/include/linux/sem.h

就能夠看到信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：?

struct semid_ds 
{struct ipc_perm sem_perm;               /* permissions .. see ipc.h */__kernel_time_t sem_otime;              /* last semop time */__kernel_time_t sem_ctime;              /* last change time */struct sem      *sem_base;              /* ptr to first semaphore in array */struct sem_queue *sem_pending;          /* pending operations to be processed */struct sem_queue **sem_pending_last;    /* last pending operation */struct sem_undo *undo;                  /* undo requests on this array */unsigned short  sem_nsems;              /* no. of semaphores in array */
};

?第一個(gè)ipc_perm?結(jié)構(gòu)體是不是有點(diǎn)熟悉呢？它和shm_perm、msg_perm是同類型的結(jié)構(gòu)體，使用命令：

cat /usr/include/linux/ipc.h

就能夠看到ipc_perm 的結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct ipc_perm 
{key_t          __key;       /* Key supplied to msgget(2) */uid_t          uid;         /* Effective UID of owner */gid_t          gid;         /* Effective GID of owner */uid_t          cuid;        /* Effective UID of creator */gid_t          cgid;        /* Effective GID of creator */unsigned short mode;        /* Permissions */unsigned short __seq;       /* Sequence number */
};

3.函數(shù)

（1）semget

?使用semget創(chuàng)建信號(hào)量：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

key	操作系統(tǒng)給用戶返回的id
nsems	創(chuàng)建的信號(hào)量的個(gè)數(shù)
semflg	semflg標(biāo)志有多個(gè)，先了解最常用的兩個(gè)標(biāo)志IPC_CREAT和IPC_EXCL就可以了
返回值	創(chuàng)建成功就返回信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，-1表示創(chuàng)建失敗

（2）semctl

?使用semctl刪除信號(hào)量：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

semid	信號(hào)量的用戶層id
semnum	信號(hào)量序號(hào)
cmd	信號(hào)量的控制操作標(biāo)識(shí)
返回值	創(chuàng)建成功就返回信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，-1表示創(chuàng)建失敗

（3）semop

使用semop來進(jìn)行信號(hào)量的PV操作：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

semid	信號(hào)量的用戶層id
sops	是sembuf類型的操作指針
nsops	單個(gè)信號(hào)量的操作
返回值	創(chuàng)建成功就返回信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，-1表示創(chuàng)建失敗

使用命令：

cat /usr/include/linux/sem.h

可以看到sembuf結(jié)構(gòu)體：

struct sembuf
{unsigned short  sem_num;        /* semaphore index in array */short           sem_op;         /* semaphore operation */short           sem_flg;        /* operation flags */
};

sem_num	指定要操作的信號(hào)量，0表示第一個(gè)信號(hào)量，1表示第二個(gè)信號(hào)量，……
sem_op	信號(hào)量操作
sem_flg	操作標(biāo)識(shí)

六、System V IPC總結(jié)

?從以上內(nèi)容可以看出，共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、信號(hào)量，雖然屬性和實(shí)現(xiàn)起來有差別，但是他們維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的成員卻是一樣的，即ipc_perm結(jié)構(gòu)體，這樣每次要申請(qǐng)System V IPC時(shí)，無論是共享內(nèi)存、消息隊(duì)列、信號(hào)量，都會(huì)在數(shù)組中開辟ipc_perm這樣的結(jié)構(gòu)：

?那么內(nèi)核可以分配一個(gè)ipc_perm數(shù)組，用來指向每一個(gè)IPC資源。

?

?

?