首页 > 系统相关 >进程间通信

进程间通信

时间:2024-06-10 18:12:02浏览次数:30  
标签:文件 IPC 间通信 信号量 管道 进程 共享内存

进程间通信

1.什么是通信

  • 数据传输:一个进程需要将自己的数据传输给另一个进程
  • 资源共享:多个进程同时共享一个资源
  • 进程事件:一个进程向一组(或一个)进程通知某一事件,如:子进程结束要通知父进程来回收资源
  • 进程控制:有些进程需要知道另一个进程的状态,控制拦截另一个进程陷入异常等,如:gdb调试

2.为什么要有通信

多个进程之间需要协同来完成某项任务:

eg:

cat log.txt | gerp "hehe"

具备通信的的前提条件:

  • 因为进程具有独立性,所以不能在两个进程各自的区域来进行通信,就好比警察和黑帮的卧底,需要用纸条来通信,所以不能在各自的地盘,所以OS需要给需要通信的进程提供一个内存空间

  • 并且两个进程之间都可以看到一个公共的资源(空间)

    操作系统的很多模块都可以提供公共空间

3.进程间通信分类

​ 管道通信

  • 匿名管道
  • 命名管道

​ System V IPC

  • System V 消息队列
  • System V 共享内存
  • System V 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

4.管道

对于文件系统来说,被打开的文件在文件描述符表里有对应的fd (文件描述符)

当一个进程fork()后,子进程会拷贝父进程的大部分资源,其中就包括文件struct files_struct,当然,**file* fd_array **也拷贝过去,即文件描述符表

所以子进程能指向和父进程同一个被打开的文件所以子进程创建后,打开的文件和父进程指向的是同一个文件

此时就初步具备了通信的条件,这个空间是由文件系统提供的,文件在磁盘里

但是,文件系统需要访问外设(即磁盘),所以访问速度相对较慢

4.1管道文件的定义和实现

有一种内存级的文件,他没有对应的磁盘文件,但是有自己的file结构体,这个实现是操作系统本身用联合体实现的,这个细节实现是OS去操作的。

对于每个struct file都有

1.file的操作办法 2. 内核缓冲区

  • 对于一个struct file,可以不指向磁盘中的文件,因为这个实现是操作系统来实现的

  • 所以操作系统在内存中创建一个不指向磁盘中任何文件的struct file,即只有一个结构体,这个结构体里当然也具备了1.file的操作办法 2. 内核级缓冲区,所以进程之间可以通过这个匿名文件的缓冲区来进行通信

  • 当父进程打开一个内存级文件的时候,fork子进程,子进程也具备了指向该内存级文件,所以父子进程可以用这个内存级文件来进行通信,不需要访问磁盘就可以完成,所以速度就会大大提升,这个文件没有名字,所以叫做匿名管道

  • 如下图

这种父子进程之间,用内核级文件进行通信的文件称为:管道文件

4.2 管道的创建过程

管道在生活中就是用来单向传输的,一头输入一头只输出

管道需要读和写,所以一个父进程需要同时具备读和写权限的属性才能fork子进程,要不然子进程没办法进行读或者写

但是又不能父子进程两个都写,或者都读,只能一方写,一方读

所以创建过程如下:

  • 1.父进程以读和写方式分别打开一个内存级文件

  • 2.父进程fork()子进程,这样一来,子进程也都具备了对该内存级文件读和写的方式

  • 关掉一个读的和一个写的fd,如果没关,万一没关可能会被不小心访问到

管道是一个父进程分别以读和写方式打开一个内存级文件,并通过fork创建一个子进程,各自再关闭对应的读写端,进而形成一条通信信道,这样的信道是基于文件的,所以叫做:管道

匿名管道 :目前只能用来进行父子进程间通信

4.3 pipe创建管道

#include <unistd.h>
//功能:创建一无名管道
//原型
int pipe(int fd[2]);
//输出型参数
fd:文件描述符数组,其中fd[0]表示读端, fd[1]表示写端
返回值:成功返回0,失败返回错误代码

联想记忆法 : 1. fd[0]:0比作嘴巴,读东西,读端

  					2. fd[1]:   1比作笔,写东西,写端 

在fork子进程后,父子进程是读还是写,那么就关闭不用的一个,fork()之后各自关掉不用的描述符

4.4 匿名管道的读写特征

  • 读慢,写快

    写的速度>读的速度,管道也是有最大容量的

    所以当管道被写满时,将不在继续写,直至读端读走数据有可以写的空间,写端才继续写

  • 读快,写慢

    读的速度>写的速度

    因为读速度大于写速度,所以当读端读完管道内的内容时,此时已经没有内容可读了,那么进程将阻塞在read函数这里,等待写端写,直至管道内有数据可继续读

  • 写端关闭,读端不关闭

    当管道写端关闭时,读端读完管道内的数据时,如果再次去读没有数据的管道会返回0,相当于读到了EOF

  • 读端关闭,写端不关闭

    读关闭,操作系统将给进程法信号,终止写端,因为不需要读的话,就是浪费系统资源,操作系统会强制终止写端

4.5 命名管道

1.mkfifo函数创建命名管道

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname,mkde_t mode);
  • 参数

​ pathname : 要创建命名管道的目录和文件名

  • 返回值

      成功返回 0 ,失败返回  -1
    
  • 命名管道的文件类型是p

2.命名管道的原理

在进程中打开命名管道文件的方法跟普通文件一样

  • 文件从磁盘中加载到内存,然后创建struct file,然后将其地址放到task_struct中的files_struct中的文件描述符表中
  • 但是不一样的是,我们只与struct file中的内核缓冲区交互,读写的内容都保存在struct file中的缓冲区中,自始至终没有将内容写到磁盘,磁盘文件相当于一个载体,只是为了给我们提供一个struct file
  • 如下图流程

3.两个无血缘进程间的通信

让两个进程看到同一份命名管道,然后分别选择一个读和写

注意细节:当只有一端打开命名管道时,eg:只打开读端,另一端还没就绪,此时打开的一端会阻塞自己,等待另一端就绪

5.共享内存

共享内存区是最快的IPC形式,一旦这个shm与进程地址空间映射,那么无需通过内核进行通信,直接通过一个内存进行通信,但是由于共享内存只能在本地进行多个进程间通信,所以就慢慢的被淘汰掉了了

5.2 共享内存的原理

  • 首先要拿到一个key,生成一个独一无二的key,其他进程(人)进来需要key,创建共享内存时候要传这个key就好比开个房间
  • 然后让进程的进程地址空间与这个共享内存区域建立映射关系,这样进程就拿到了读写共享内存的功能
  • 此时进程之间就具备了通信的基本能力:看到同一份公共资源,就可以进程进程之间通信了

如上图,通过页表映射到各自的进程地址空间,从而实现两个进程可以实现进程间通信

5.3 共享内存的实现

  • ①创建key*
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
//pathname放一个指定的路径即可,proj_id指定一个数值即可,但是记得另一个进程对应得这两个参数也要一样
  • ②创建共享内存
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
//key即上边得Key , size为开辟共享内存得大小单位是字节

参数:shmflg 是一个用标志位代表的一个参数有两个IPC_CREAT,IPC_EXCL

IPC_CREAT : 如果没有那么创建共享内存,如果已经有了,那么返回共享内存的shmid

IPC_EXCL : 该宏必须和IPC_CREAT一起使用,否则没有意义。当shmget取IPC_CREAT|IPC_EXCL时,表示如果发现信号集已经存在,则返回-1,错误码为EEXIST。

创建时必须加上创建共享内存的权限码0600

//1.创建时一般用下边这个
int shmid=shmget(key,4096,IPC_EXCL|IPC_CREAT|0600);
//2.获取时用下边的这个
int _shmid=shmget(key,4096,IPC_CREAT);

返回值 :成功返回共享内存的shmid,失败返回-1

  • ③共享内存与进程创建联系 shmat 函数
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数: hm_addr指定共享内存连接到当前进程中的地址位置,通常为空(nullptr),表示让系统来选择共享内存的地址。

shm_flg是一组标志位,通常为0

  • **④断开与共享内存链接 shmdt()函数 **
int shmdt(const void *shmaddr);

参数shmaddr是shmat()函数返回的地址指针,调用成功时返回0,失败时返回-1.

  • ⑤控制共享内存 : shmctl()函数
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • IPC_STAT:把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值,即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。
  • IPC_SET:如果进程有足够的权限,就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值
  • IPC_RMID:删除共享内存段
  • 返回值 : 失败返回 -1

6.信号量

  • 信号量:信号量本质是一个计数器,用来表示公共资源中可用的数量
  • 公共资源 :可用被多个进程同时访问的资源,叫做公共资源

为什么要让不同的进程看到同一份公共资源呢---->为了不同进程之间进行通信,协同工作等------>那么就让不同的进程看到同一份资源------->提出产生公共资源的方法----->过程中遇到问题------>数据不一致问题,比如还没有写完另一边就开始读取了

  • 临界资源 : 被保护起来的公共资源被称作临界资源(临界资源占少数,因为大部分资源都是各自进程自身的,只有进程要通信并且防止被打扰才会进行保护,所以临界资源在这个条件下占少数)

  • 临界资源(内存,文件,网络等)是要被使用的,如何被进程使用呢?进程存在对这部分资源的使用方法代码,由这部分代码来实现,那么这部分代码区域被称作临界区 ,其他区域则被称作非临界区

  • 如何保护:互斥和同步

  • 原子操作 : 对于一件事情 , 要么就一开始就不做,要么做了就做完

  • 对于共享资源的使用:1.作为一个整体 2.拆分成若干个部分使用

所有的进程在访问公共资源的前提下,需要先申请信号量------>所以必须进程都能看到信号量,那么信号量也是一个公共资源----->所以信号量也要保证自己的安全------->所以信号量进行++或者- -操作是原子性的

​ 那么, 对于信号量获取资源进行信号量--的操作被称为P操作

​ 对于信号量回收资源进行信号量++的操作被称为V操作

7. IPC资源的组织方式

​ 系统的IPC资源常见的有:消息队列,共享内存,信号量等

​ 这些资源都包括了两个结构体:1.自身的结构体例如struct shm_ds或者sem_ds 2.struct ipc_prem

这些资源是由OS统一管理的,OS会创建一个数组 : ipc_prem *prems[ ];,由这个数组统一管理ipc资源

  • 在创建对应得ipc资源时,会先创建一个自身类型得结构体,比如shm就会创建shm_ds
  • 对于一个结构体,结构体的起始地址==结构体第一个元素的地址,所以对于每个ipc资源的自身结构体,有以下内容,其中第一个元素为创建了一个ipc_prem对象,然后将其地址放到OS的prems数组中,以方便统一管理,这样,OS就会知道管理诸多ipc资源中,所要处理的当前ipc资源类型是什么了
  • 例如 : prems[0]=&semid_ds.sem_prem;

标签:文件,IPC,间通信,信号量,管道,进程,共享内存
From: https://www.cnblogs.com/kzx1019/p/18240859

相关文章

  • 第1讲:进程和线程
    扫盲课。对Linux系统下,进程和线程的基本概念和对比进行阐述。一、进程进程是处于执行期的程序及相关资源的总称。操作系统为进程提供两种虚拟机制:虚拟处理器&虚拟内存,目的是让进程有一种假象:“独享处理器和整个内存空间”。关于进程描述符structtask_struct放在后续内容......
  • 避免 OOMKilled:在 Kubernetes 环境中优化 Java 进程的内存配置
    避免OOMKilled:在Kubernetes环境中优化Java进程的内存配置DevOps云学堂译 奇妙的Linux世界 2024-06-1009:53 重庆 听全文公众号关注 「奇妙的Linux世界」设为「星标」,每天带你玩转Linux! 管理KubernetesPod中运行的Java进程的内存使用情况比人们想象......
  • 第3讲:进程调度
    分为两类:抢占式多任务非抢占式多任务进程可分为:IO消耗型、CPU消耗型。调度方式(1)优先级调度nice值(-20~19):值越大、优先级越低。nice值映射到时间片问题:(1)绝对时间片无法保证最优解;(2)nice值越靠近边界、波动越大;(3)定时器节拍问题实时优先级。(2)时间片CFS调度分配的是......
  • 第2讲:进程管理
    本文的主要内容:一个进程从生到死的过程。一、任务队列和task_struct任务描述符Linux的“任务队列”是一个双向链表,链表中每一项为进程描述符task_struct,它包含了一个正在执行的程序的完整信息:它打开的文件、进程的地址空间、挂起的信号、进程的状态等等。Linux通过slab分......
  • C++ MPI多进程并发
    下载用法mpiexec-n8$PROCESS_COUNTx64\Debug\$TARGET.exe 多进程并发启动mpiexec-fhosts.txt-n3$PROCESS_COUNTx64\Debug\$TARGET.exe  联机并发进程,其它联机电脑需在相同路径下有所有程序//hosts.txt192.168.86.16192.168.86.123192.168.86.108De......
  • “另一个程序已锁定文件的一部分,进程无法访问 打不开磁盘“G:\Ubuntu20.04.3\Ubuntu
    文章目录前言:一、删除lck文件二、移除挂载硬盘总结:前言:在重新刷了系统进行对虚拟机移植的过程中我遇到了“另一个程序已锁定文件的一部分,进程无法访问打不开磁盘"G:\Ubuntu20.04.3\Ubuntu20.04.3.vmdk"或它所依赖的某个快照磁盘……”的问题,因为情况慌乱,所以我没......
  • 【进程间通信】——共享内存
    目录共享内存(SharedMemory)前言虚拟内存驻留内存SystemV共享内存函数及其用途Unix系统的System-V版本中就引入了三种进程间通信方式,分别是消息队列、共享内存、信号量集。这三种通信方式也被称为System-VIPC对象。共享内存(SharedMemory)前言​在下文或接下来的讨论中......
  • 进程知识点
    系统编程进程注意:进程是操作系统分配资源的基本单位!操作系统是以进程为单位来分配系统资源的,比如内存空间、CPU使用权等。线程是操作系统调度资源的最小单位!进程包含线程!1.进程的特征进程具有四个基本特征,分别是动态性、并发性、独立性、异步性动态性:进程会在程序运行时......
  • python 多任务之多进程
    多任务优势多个任务同时执行可以大大提高程序执行效率,可以充分利用CPU资源,提高程序的执行效率概念是指在同一时间内执行多个任务多进程概念进程(process)是资源分配的最小单位,他是操作系统进行资源分配和调度运行的基本单位,比如:一个正在运行的程序就是一个进程,如QQ,微信等......
  • 【Linux】进程3——PID/PPID,父进程,子进程
    在讲父子进程之前,我们接着上面那篇继续讲1.查看进程mycode.cmakefile我们在zs_108直接编译mycode.c,直接运行,然后我们转换另一个账号来查看这个进程我们可以通过ps指令来查看进程  我们就会好奇了,第二行是什么?我们查的是第一行的啊那个是指令的ps的进程PID有什......