《Linux基礎(chǔ)及應(yīng)用教程》課件第5章 進(jìn)程間通信

5.1Linux下進(jìn)程間通信概述

Linux下的進(jìn)程間通信方式主要有：（1）管道（pipe）管道分為無名管道和有名管道，無名管道只能用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信，允許一個(gè)進(jìn)程和另一個(gè)與它有共同祖先的進(jìn)程之間進(jìn)行通信，而有名管道除具有無名管道具有的功能外，還能用于無親屬關(guān)系的進(jìn)程間的通信。

（2）信號(hào)（signal）信號(hào)是比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接受進(jìn)程有某種事件發(fā)生，除了用于進(jìn)程間通信外，進(jìn)程還可以發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程本身。Linux除了支持Unix早期信號(hào)語義函數(shù)signal外，還支持語義符合Posix.1標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)函數(shù)sigaction。

（3）消息隊(duì)列消息隊(duì)列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊(duì)列systemV消息隊(duì)列。它克服了信號(hào)承載信息量少，管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)，使具有寫權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息，具有讀權(quán)限的進(jìn)程可以讀取隊(duì)列中的消息。

（4）共享內(nèi)存共享內(nèi)存是最有用的進(jìn)程間通信方式，它使得多個(gè)進(jìn)程可以訪問同一塊內(nèi)存空間。它往往需要與其它通信機(jī)制結(jié)合，如與信號(hào)量結(jié)合使用可實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步與互斥。

（5）內(nèi)存映射（mappedmemory）內(nèi)存映射允許任何多個(gè)進(jìn)程間通信，每一個(gè)使用該機(jī)制的進(jìn)程通過把一個(gè)共享的文件映射到自己的進(jìn)程地址空間來實(shí)現(xiàn)它。

（6）信號(hào)量（semaphore）主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程不同線程之間的同步手段。

（7）套接字（socket）應(yīng)用更為廣泛的進(jìn)程間通信機(jī)制，可用于不同機(jī)器之間的進(jìn)程間通信。所有提供了TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng)幾乎都提供了套接字，而所有這樣操作系統(tǒng)，對(duì)套接字的編程方法幾乎是完全一樣的。

5.2管道通信5.2.1管道概述管道是Linux支持的最初UnixIPC形式之一，具有以下特點(diǎn)：（1）管道是半雙工的通信模式，數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng)。（2）只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間的通信，即父子進(jìn)程或者兄弟進(jìn)程之間。（3）管道對(duì)于管道兩端的進(jìn)程而言，就是一個(gè)文件，但它不是普通的文件，它不屬于某種文件系統(tǒng)，而是單獨(dú)構(gòu)成一種文件系統(tǒng)，并且只存在與內(nèi)存中。

5.2.2管道創(chuàng)建與關(guān)閉創(chuàng)建管道可以通過調(diào)用pipe函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。pipe函數(shù)的語法要點(diǎn)如下：頭文件：#include<unistd.h>函數(shù)原型：intpipe（intfd[2]）

pipe函數(shù)通過傳入兩個(gè)文件描述符來創(chuàng)建管道，調(diào)用成功時(shí)返回0，否則返回-1。

5.2.3管道讀寫一般文件的I/O函數(shù)都可以用于管道，如close、read、write等等。

5.2.4標(biāo)準(zhǔn)流管道系統(tǒng)提供了一個(gè)popen函數(shù)來完成標(biāo)準(zhǔn)流管道的一系列創(chuàng)建過程；

popen函數(shù)的使用可大大減少代碼的編寫量，但是創(chuàng)建管道時(shí)缺少靈活性，該函數(shù)只能支持標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)，不能使用read、write這類不帶緩沖的I/O函數(shù)。關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)流管道使用pclose函數(shù)來完成，該函數(shù)關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)I/O流，并等待命令執(zhí)行結(jié)束。

5.2.5FIFO命名管道（namedpipes），因?yàn)檫@種管道的操作方式基于“先進(jìn)先出”原理，也稱為FIFO（FirstInFirstOut）在程序中調(diào)用mkfifo函數(shù)創(chuàng)建FIFO管道，mkfifo函數(shù)調(diào)用的原型為：

#include<sys/types.h>#include<sys/state.h>intmkfifo(constchar*filename,mode_tmode);

5.3信號(hào)機(jī)制5.3.1信號(hào)概述1．信號(hào)及信號(hào)來源信號(hào)是在軟件層次上對(duì)中斷機(jī)制的一種模擬，在原理上，一個(gè)進(jìn)程收到一個(gè)信號(hào)與處理器收到一個(gè)中斷請(qǐng)求可以說是一樣的。信號(hào)是異步的。信號(hào)事件的發(fā)生有兩個(gè)來源：硬件來源（比如我們按下了鍵盤或者其它硬件故障）；軟件來源，最常用發(fā)送信號(hào)的系統(tǒng)函數(shù)是kill、raise、alarm、setitimer和sigqueue函數(shù)，軟件來源還包括一些非法運(yùn)算等操作。

2．信號(hào)的種類可以從兩個(gè)不同的分類角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類：（1）可靠性方面：可靠信號(hào)與不可靠信號(hào)；（2）與時(shí)間的關(guān)系上：實(shí)時(shí)信號(hào)與非實(shí)時(shí)信號(hào)。

3．進(jìn)程對(duì)信號(hào)的響應(yīng)進(jìn)程對(duì)信號(hào)的響應(yīng)有以下三種方式：（1）忽略信號(hào)，即對(duì)信號(hào)不做任何處理，但是有兩個(gè)信號(hào)不能忽略，即SIGKILL和SIGSTOP。（2）捕捉信號(hào)，定義信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)。（3）執(zhí)行缺省操作，Linux對(duì)每種信號(hào)都規(guī)定了默認(rèn)操作。

5.3.2信號(hào)的發(fā)送1．kill()和raise()kill函數(shù)和kill系統(tǒng)命令一樣，可以發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程或者進(jìn)程組。它不僅可以終止進(jìn)程，還可以向進(jìn)程發(fā)送其他信號(hào)。與kill函數(shù)不同，raise函數(shù)允許向其自身發(fā)送信號(hào)。kill函數(shù)相關(guān)語法要點(diǎn)：頭文件：#include<sys/types.h>和#include<signal.h>函數(shù)原型：intkill(pid_tpid,intsigno)

raise函數(shù)相關(guān)語法要點(diǎn)：頭文件：#include<sys/types.h>和#include<signal.h>函數(shù)原型：intraise(intsigno)

2．a(chǎn)larm()和pause()alarm函數(shù)可以在進(jìn)程中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器指定的時(shí)間到達(dá)時(shí)，它就向進(jìn)程發(fā)送SIGALARM信號(hào)。一個(gè)進(jìn)程只有一個(gè)鬧鐘時(shí)間，如果在調(diào)用alarm之前已經(jīng)設(shè)置過鬧鐘時(shí)間，則新設(shè)置的鬧鐘時(shí)間會(huì)替代以前設(shè)置的鬧鐘時(shí)間。alarm函數(shù)相關(guān)語法要點(diǎn)：頭文件：#include<unistd.h>函數(shù)原型：unsignedintalarm(unsignedintseconds)

pause函數(shù)是用于將調(diào)用進(jìn)程掛起直至捕捉到信號(hào)為止，通?？捎糜谂袛嘈盘?hào)是否已到。pause函數(shù)相關(guān)語法要點(diǎn)：頭文件：#include<unistd.h>函數(shù)原型：intpause(void)函數(shù)返回值：返回值為-1，并把error值設(shè)為EINTR。

3．sigqueue()sigqueue函數(shù)是比較新的發(fā)送信號(hào)系統(tǒng)調(diào)用，主要是針對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)提出的（當(dāng)然也支持前32種），支持信號(hào)帶有參數(shù)，與函數(shù)sigaction()配合使用。sigqueue函數(shù)相關(guān)語法要點(diǎn)：頭文件：#include<sys/types.h>和#include<signal.h>函數(shù)原型：intsigqueue(pid_tpid,intsigno,constunionsigvalval)

4．setitimer()sigqueue函數(shù)是比較新的發(fā)送信號(hào)系統(tǒng)調(diào)用，主要是針對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)提出的（當(dāng)然也支持前32種），支持信號(hào)帶有參數(shù)，與函數(shù)sigaction()配合使用。sigqueue函數(shù)相關(guān)語法要點(diǎn)：頭文件：#include<sys/time.h>函數(shù)原型：intsetitimer(intwhich,conststructitimerval*value,structitimerval*ovalue))

5.3.3信號(hào)的處理Linux主要有兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理：signal()、sigaction()。1．signal函數(shù)signal函數(shù)相關(guān)語法要點(diǎn)：頭文件：#include<signal.h>函數(shù)原型：void(*signal(intsignum,void(*handler)(int)))(int)

2．信號(hào)集函數(shù)組信號(hào)集被定義為一種數(shù)據(jù)類型：typedefstruct{unsignedlongsig[_NSIG_WORDS]；

}sigset_t

信號(hào)集用來描述信號(hào)的集合，Linux所支持的所有信號(hào)可以全部或部分的出現(xiàn)在信號(hào)集中，主要與信號(hào)阻塞相關(guān)函數(shù)配合使用。

5.4共享內(nèi)存5.4.1共享內(nèi)存概述SystemV進(jìn)程間通信（IPC）包括3種機(jī)制：消息隊(duì)列、信號(hào)量、共享內(nèi)存。SystemV共享內(nèi)存把共享數(shù)據(jù)放在共享內(nèi)存區(qū)域，任何想要訪問該數(shù)據(jù)的進(jìn)程通過共享該內(nèi)存區(qū)域來獲得訪問權(quán)。SystemV共享內(nèi)存通過shmget獲得或創(chuàng)建一個(gè)IPC共享內(nèi)存區(qū)域，并返回相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。

5.4.2共享內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)1．接口函數(shù)

SystemV為共享內(nèi)存主要定義了fork()、shmget()、shmat()、shmdt()和shmctl()幾個(gè)API接口函數(shù)fork函數(shù)用于生成一個(gè)鍵值：key_tkey;shmget函數(shù)用于創(chuàng)建（或者獲?。┮粋€(gè)由key鍵值指定的共享內(nèi)存對(duì)象;

shmat函數(shù)用于建立調(diào)用進(jìn)程與由標(biāo)識(shí)符shmid指定的共享內(nèi)存對(duì)象之間的連接，返回被映射的段地址;shmdt函數(shù)用于斷開調(diào)用進(jìn)程與共享內(nèi)存對(duì)象之間的連接;shmctl函數(shù)用于對(duì)已創(chuàng)建的共享內(nèi)存對(duì)象進(jìn)行查詢、設(shè)值、刪除等操作.2．實(shí)例

5.5消息隊(duì)列5.5.1消息隊(duì)列概述消息隊(duì)列就是一個(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)。用戶可以從消息隊(duì)列中添加消息、讀取消息。

下圖說明了內(nèi)核與消息隊(duì)列是怎樣建立起聯(lián)系的。其中：structipc_idsmsg_ids是內(nèi)核中記錄消息隊(duì)列的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；structmsg_queue是每個(gè)消息隊(duì)列的隊(duì)列頭。

5.5.2消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)1．接口函數(shù)

SystemV為消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)主要定義了msgget()、msgsnd()、msgrcv()和msgctl()幾個(gè)API接口函數(shù)msgget函數(shù)用于創(chuàng)建或打開消息隊(duì)列msgsnd函數(shù)用于發(fā)送消息msgrcv函數(shù)用于讀取消息msgctl函數(shù)用于對(duì)由msqid標(biāo)識(shí)的消息隊(duì)列執(zhí)行cmd操作

2．實(shí)例實(shí)例首先使用msgget函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的消息隊(duì)列，接著使用msgsnd函數(shù)添加一個(gè)消息到消息隊(duì)列，然后使用msgrcv函數(shù)從消息隊(duì)列中讀取消息，最后使用msgctl函數(shù)刪除該消息隊(duì)列。

5.6信號(hào)量信號(hào)量用于保護(hù)系統(tǒng)中關(guān)鍵的代碼或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。