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Linux进程间通信

10-1 简介

​ 在Linux下，进程之间相互独立，每个进程都有自己不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另 一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问。如果非要交换数据则必须通过内核，在内核中开辟 一块缓冲区。假设有两个进程A B，他们之间想要交换数据就需要A在将数据写到缓冲区，然后B再从缓冲区 将A写入的数据读入，这样就完成了AB两个进程之间的通信。

​ 进程间如果想通信则需要使用：文件，管道，信号，共享内存，消息队列，套接字，命名管道等。如今常 用的通信方式有：管道（操作简单），信号（开销小），共享映射区（适用无血缘关系的进程），本地套接字（最 稳定）。

10-2 管道 pipe

10-2-1 概念

​ 在内核区创立一个缓冲区，它形似队列，一头输入数据，一头输出数据。它由两个文件描述符引用，当所 以引用它的进程都结束后，pipe管道会自己消失，并且读入端和写入端是阻塞的。这个缓冲区的大小为4k，不 可以修改它的大小，在实际的操作过程中，缓冲区会根据数据压力做适当的调整。

​ 假设现在有A,B两个线程，我们让A线程在队头读数据，让B线程在队尾写数据，这样就可以完成AB 两个线程的通信，但是管道的数据走向是单向的，上面的例子是A接收B的数据，如果想要B接收A的数 据则需要再来一个管道。当然可以两个及以上个进程共享同一个管道，但当多个进程都要往管道中写入数据 或者读出数据时，则会导致读写次序混乱，所以可以使用互斥锁，或者信号量来解决该问题。

​ 如果B线程往管道中写入了数据，那么A线程可以通过读取操作将数据取出。在A线程成功读取数据后， 管道中的数据并不会自动删除，仍然保留在缓冲区中，可以继续进行读取操作以重复获取数据。因此，管道中 的数据是可以反复读取的。并且只有有血缘关系的进程才能使用管道。

​ 在pipe管道中，如果管道中没有数据可读时，那则会阻塞读端，如果缓冲区满了则会阻 塞写端。

10-2-2 创建管道 pipe函数

​ 函数原型：int pipe(int fd[2]);

​ 头文件：#include <unistd.h>

​ 函数作用：创建一个管道。

​ 函数参数：一个用于存储两个文件描述符的一维数组，且数组元素个数位2.

​ 函数返回值：

​ 调用成功：返回0。并且fd[0]存放管道的读端描述符，fd[1]存放管道的写端描述符。

​ 调用失败：返回-1。

10-2-3 实现父子进程通信的步骤

​ 1.父进程创建管道

​ 2.父进程通过fork整一个子进程

​ 3.假设我们要让子进程获取来自父进程的数据，那么就需要我们在父进程中关闭读端（close(fd[0)），在子 进程中关闭写端（close(fd[1]）。这样就保证了数据方向是由父进程到子进程的。然后我们在父进程中通过write 函数写入数据，然后在子进程中使用read函数读取数据，这样就完成了简单的一个进程间通信。

​ 注意：必须保证数据传输是单向的，就像父进程关读端，子进程关写端，如果不这样则会导致死锁。

10-2-4管道的读写操作

​ 读操作：

有数据：read正常读，返回读出的字节数。

无数据：

所有的写端关闭：返回0，相当于读到了文件末尾。

写端没有全部关闭：阻塞。

​ 写操作：

读端全部关闭：管道破裂，进程终止，内核给当前进程发SIGPIPE信号。

读端没有全部关闭：

缓冲区满了：write阻塞。

缓冲区没满：继续通过write写入数据。

10-2-5 父子进程通信的例子

10-2-6 将管道设置为非阻塞状态

​ 如果读端和写端访问或操作管道时，因为某些原因可能会被阻塞，为了不影响我们程序的执行，我们可以 将默认为阻塞状态的管道改为非阻塞管道，这样当读写端对管道进行访问或操作时，如果发现当前管道的处境 会导致读写端被阻塞，那么读写端则不会被阻塞在哪里，而是直接返回。

​ 步骤如下（以读端为例）：

​ 1.创建管道假设读端的描述符在fd[0]中，写端的描述符在fd[1]中。

​ 2.通过fcntl函数获取读端的文件状态标准，通过传入F_GETFL参数来获取当前的标志。

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

​ 3.将O_NONBLOCK 标志与获取到的标志位进行按位或操作，以将非阻塞标志添加到当前标志中。

dlags |= O_NONBLOCK

​ 4.再一次使用fcntl函数，将修改后的标志值重新设置回文件描述符中，将读取端设为非阻塞。

fcntl(fd[2] , F_SETFL , flags);

​ 这样读端就是非阻塞模式了。可以将上述的fd[0]改为fd[1]这样就可以修改写端了。

10-2-7 查看管道缓冲区的大小

​ 命令：ulimit -a

​ 函数原型：long fpathconf(int fd , int name);

​ 头文件：#include <unistd.h>

​ 函数功能：获取文件路径配置的相关信息

​ 函数参数：

​ fd为文件描述符。

​ name为要获取的配置选项

_PC_LINK_MAX：路径名链接的最大数目。

_PC_MAX_CANON：终端规范模式下输入行的最大字节数。

_PC_MAX_INPUT：输入队列的最大字节数。

_PC_NAME_MAX：文件名的最大长度。

_PC_PIPE_BUF：管道缓冲区的大小限制。

​ 函数返回值：调用成功则返回获取的信息，调用失败则返回-1。

​ 获取管道缓冲区的大小：

获取读端：long fpathconf(fd[0] , _PC_PIPE_BUF);

获取写端：long fpathconf(fd[1] , _PC_PIPE_BUF);

10-3 FIFO

​ 介绍：

​ FIFO为命名管道，当多个没有血缘关系的进程之间想要通信时，可以采用FIFO进行进程间通信。命名管 道实际上是Linux基础文件类型的一种（通过ls -l查看的类型为：p）。FIFO在磁盘上没有数据块，大小为0.仅 标识内核中一条通道。进程可以打开这个文件进行write和read，读写操作实际上是在内核缓冲区中进行，这 就是通过文件实现进程间通信。

10-3-1 创建命名管道

​ 方法一 使用命令：

​ 命令格式：mkfifo 管道名

​ 例如： mkfifo myFifo 创建一个名为myFifo的管道

​ 方法二 使用函数：

​ 函数原型：int mkfifo(const char *pathname , mode_t mode);

​ 头文件：#include <sys/types.h>

​ #include <sys/stat.h>

​ 函数参数：

​ pathname：指定要创建的命名管道的路径名（可以时相对路径或绝对路径）。

​ mode：指定创建管道的权限（使用权限掩码）。

​ 函数返回值：执行成功返回0，执行失败返回-1.

10-3-2 如何使用文件io对管道文件进行操作：

const char* pipeName = “/xxx/my_pipe”; 管道文件路径

int result = mkfifo(pipeName , 0666); //创建管道**

if(result == -1){ //判断管道是否创建成功

​    printf(“error\n”);

​    return 0;

}
//可以在其他进程中打开管道文件，然后通过write和read函数进行操作

int fd = open(pipeName, O_WRDNLY); //打开管道文件

const char* data = “Hello World!”; //要写入的数据

ssize_t bytesWritten = write(fd , data, sizeof(data)); //写入数据**

char buffer[100];

ssize_t byteRead = read(fd, buffer, siezof(buffer)); //读数据**

printf(“%s\n”,buffer); //打印刚才读出的数据
close(fd); //关闭管道**

int result = unlink(pipeName); //删除管道**

10-3-3如何使用FIFO完成两个进程的通信：

​ 进程A：

创建一个FIFO文件：myfifo。

调用open函数打开myfifo文件。

调用write函数，往myfifo文件中写入数据。

调用close函数，关闭myfifo文件。

​ 进程B：

调用open函数打开FIFO文件。

调用read函数读取myfifo文件中的内容。

打印或者使用刚刚读取的数据。

调用close函数关闭myfifo文件。

​ 注意：B进程要使用myfifo文件时可能进程A还没有创建好这个文件，这样会导致B报错，所以我们 可以在进程B中需要调用FIFO文件的地方使用if判断一下当前文件是否存在。又或者要保证进程B在进 程A 之后运行。

10-4 内存映射区

​ 如果我们对文件进行一次io操作，cpu会在磁盘里寻找到文件的位置，然后写入或读出数据，因为磁盘的 效率不高，这样操作的次数多了会导致过渡占用系统资源，所以为了让io操作的效率更高，我们直接将文件或 文件的一部分缓存到内存中去，然后每进行一次io操作时，则直接对内存中的缓存进行操作，这样可以大大提 升cpu的工作效率，当我们完成io操作后可以关闭文件的缓冲区，然后将缓冲区的内容真正地写入文件。

10-5 mmap函数族：

mmap函数：

​ 头文件：#include <sys/mman.h>

​ 函数原型：void *mmap(void *addr , size_t length , int prot , int flags , int fd , off_t offset);

​ 函数功能：创立存储映射区。

​ 函数参数：

addr：指定映射的起始地址，一般填NULL，由系统而定。

length：映射到内存的文件长度。

prot：映射区的保护方法。

读：PROT_READ

写：PROT_WRITE

读写：PROT_READ | PROT_WRITE

flags：映射区的特性。

MAP_SHAREAD：写入映射区的数据会写回文件，且允许其他映射该文件的进程共享。

MAP_PRIVATE：对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy-on-write)，对此区域所做的修改不会写入源文件。

fd：要映射的文件的文件描述符。

offset：以文件开始处的偏移量，必须是4k的整数倍，通常为0，表示从文件头开始映射。

​ 函数返回值：调用成功返回创建的映射区的首地址，失败则返回MAP_FAILED宏。

munmap函数;

​ 头文件：#include <sys/mman.h>

​ 函数原型：int munmap(void *addr, size_t length);

​ 函数功能：释放由mmap函数建立的存储映射区。

​ 函数参数：

addr：mmap函数创建成功时返回的映射区首地址。

length：映射区大小（mmap的第二个参数）。

​ 函数返回值：成功返回0，失败返回-1.

mmap函数的注意事项：

​ 1.当flags为MAP_SHARAD时，要求映射区的权限应该小于等于文件打开的权限，而MAP_PRIVATE 则无所谓。

​ 2.映射区的释放与文件关闭无关，只有映射建立成功，文件可立即关闭。

​ 3.当映射文件的大小为0时，则不可以创建映射区，因为映射区要有一个实际大小。

​ 4.munmap传入的地址必须是mmap的返回地址，不可以使用指针的自增自减操作。

​ 5.文件偏移量必须是0或者4k的整数倍。

​ 6.mmap创建映射区容易出错，要记得先检查是否创建成功然后再使用它。

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