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7.7-UC-第七课:进程通信

时间:2018-11-30 00:36:05      阅读:204      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:cep   截取   大小   oid   唤醒   套接字   参数   wms   关闭   

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第七课  进程通信
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一、基本概念
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1. 何为进程间通信
~~~~~~~~~~~~~~~~~

进程间通信(Interprocess Communication, IPC)是指两个,
或多个进程之间进行数据交换的过程。

2. 进程间通信分类
~~~~~~~~~~~~~~~~~

1) 简单进程间通信:命令行参数、环境变量、信号、文件。

2) 传统进程间通信:管道(fifo/pipe)。

3) XSI进程间通信:共享内存、消息队列、信号量。

4) 网络进程间通信:套接字。

二、传统进程间通信——管道
--------------------------

1. 管道是Unix系统最古老的进程间通信方式。

2. 历史上的管道通常是指半双工管道,
   只允许数据单向流动。现代系统大都提供全双工管道,
   数据可以沿着管道双向流动。

3. 有名管道(fifo):基于有名文件(管道文件)的管道通信。

1) 命令形式

# mkfifo fifo
# echo hello > fifo    # cat fifo

2) 编程模型

------+----------+------------+----------+------
 步骤 |   进程A  |    函数    |  进程B   | 步骤
------+----------+------------+----------+------
   1  | 创建管道 |   mkfifo   |   ----   |
   2  | 打开管道 |    open    | 打开管道 |  1
   3  | 读写管道 | read/write | 读写管道 |  2
   4  | 关闭管道 |    close   | 关闭管道 |  3
   5  | 删除管道 |   unlink   |   ----   |
------+----------+------------+----------+------

范例:wfifo.c、rfifo.c

图示:fifo.bmp

4. 无名管道(pipe):适用于父子进程之间的通信。

#include <unistd.h>

int pipe (int pipefd[2]);

1) 成功返回0,失败返回-1。

2) 通过输出参数pipefd返回两个文件描述符,
   其中pipefd[0]用于读,pipefd[1]用于写。

3) 一般用法

A. 调用该函数在内核中创建管道文件,并通过其输出参数,
   获得分别用于读和写的两个文件描述符;

B. 调用fork函数,创建子进程;

C. 写数据的进程关闭读端(pipefd[0]),
   读数据的进程关闭写端(pipefd[1]);

D. 传输数据;

E. 父子进程分别关闭自己的文件描述符。

图示:pipe.bmp

范例:pipe.c

三、XSI进程间通信
-----------------

1. IPC标识
~~~~~~~~~~

内核为每个进程间通信维护一个结构体形式的IPC对象。
该对象可通过一个非负整数的IPC标识来引用。

与文件描述符不同,IPC标识在使用时会持续加1,
当达到最大值时,向0回转。

2. IPC键值
~~~~~~~~~~

IPC标识是IPC对象的内部名称。
若多个进程需要在同一个IPC对象上会合,
则必须通过键值作为其外部名称来引用该对象。

1) 无论何时,只要创建IPC对象,就必须指定一个键值。

2) 键值的数据类型在sys/types.h头文件中被定义为key_t,
   其原始类型就是长整型。

3. 客户机进程与服务器进程在IPC对象上的三种会合方式
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

1) 服务器进程以IPC_PRIVATE为键值创建一个新的IPC对象,
   并将该IPC对象的标识存放在某处(如文件中),
   以方便客户机进程读取。

2) 在一个公共头文件中,
   定义一个客户机进程和服务器进程都认可的键值,
   服务器进程用此键值创建IPC对象,
   客户机进程用此键值获取该IPC对象。

3) 客户机进程和服务器进程,
   事先约定好一个路径名和一个项目ID(0-255),
   二者通过ftok函数,
   将该路径名和项目ID转换为一致的键值。

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

key_t ftok (const char* pathname, int proj_id);

pathname - 一个真实存在的文件或目录的路径名。

proj_id  - 项目ID,仅低8位有效,其值域为[0,255]。

成功返回键值,失败返回-1。

注意:起作用的是pathname参数所表示的路径,
而非pathname字符串本身。
因此假设当前目录是/home/soft01/uc/day07,则
ftok (".", 100);
ftok ("/home/soft01/uc/day07", 100);
的返回值完全相同。

4. IPC对象的创建
~~~~~~~~~~~~~~~~

1) 若以IPC_PRIVATE为键值创建IPC对象,
   则永远创建成功。

2) 若所指定的键值在系统范围内未与任何IPC对象相结合,
   且创建标志包含IPC_CREAT位,则创建成功。

3) 若所指定的键值在系统范围内已与某个IPC对象相结合,
   且创建标志包含IPC_CREAT和IPC_EXCL位,则创建失败。

5. IPC对象的销毁/控制
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

IPC_STAT - 获取IPC对象属性
IPC_SET  - 设置IPC对象属性
IPC_RMID - 删除IPC对象

四、共享内存
------------

1. 基本特点
~~~~~~~~~~~

1) 两个或者更多进程,
   共享同一块由系统内核负责维护的内存区域,
   其地址空间通常被映射到堆和栈之间。

图示:shm.bmp

2) 无需复制信息,最快的一种IPC机制。

3) 需要考虑同步访问的问题。

4) 内核为每个共享内存,
   维护一个shmid_ds结构体形式的共享内存对象。

2. 常用函数
~~~~~~~~~~~

#include <sys/shm.h>

1) 创建/获取共享内存

int shmget (key_t key, size_t size, int shmflg);

A. 该函数以key参数为键值创建共享内存,
   或获取已有的共享内存。

B. size参数为共享内存的字节数,
   建议取内存页字节数(4096)的整数倍。
   若希望创建共享内存,则必需指定size参数。
   若只为获取已有的共享内存,则size参数可取0。

C. shmflg取值:

0         - 获取,不存在即失败。

IPC_CREAT - 创建,不存在即创建,
            已存在即获取,除非...

IPC_EXCL  - 排斥,已存在即失败。

D. 成功返回共享内存标识,失败返回-1。

2) 加载共享内存

void* shmat (int shmid, const void* shmaddr,
    int shmflg);

A. 将shmid参数所标识的共享内存,
   映射到调用进程的地址空间。

B. 可通过shmaddr参数人为指定映射地址,
   也可将该参数置NULL,由系统自动选择。

C. shmflg取值:

0          - 以读写方式使用共享内存。

SHM_RDONLY - 以只读方式使用共享内存。

SHM_RND    - 只在shmaddr参数非NULL时起作用。
             表示对该参数向下取内存页的整数倍,
             作为映射地址。

D. 成功返回映射地址,失败返回-1。

E. 内核将该共享内存的加载计数加1。

3) 卸载共享内存

int shmdt (const void* shmaddr);

A. 从调用进程的地址空间中,
   取消由shmaddr参数所指向的,共享内存映射区域。

B. 成功返回0,失败返回-1。

C. 内核将该共享内存的加载计数减1。

4) 销毁/控制共享内存

int shmctl (int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf);

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;   // 所有者及其权限
    size_t          shm_segsz;  // 大小(以字节为单位)
    time_t          shm_atime;  // 最后加载时间
    time_t          shm_dtime;  // 最后卸载时间
    time_t          shm_ctime;  // 最后改变时间
    pid_t           shm_cpid;   // 创建进程PID
    pid_t           shm_lpid;   // 最后加载/卸载进程PID
    shmatt_t        shm_nattch; // 当前加载计数
    ...
};

struct ipc_perm {
    key_t          __key; // 键值
    uid_t          uid;   // 有效属主ID
    gid_t          gid;   // 有效属组ID
    uid_t          cuid;  // 有效创建者ID
    gid_t          cgid;  // 有效创建组ID
    unsigned short mode;  // 权限字
    unsigned short __seq; // 序列号
};

A. cmd取值:

IPC_STAT - 获取共享内存的属性,通过buf参数输出。

IPC_SET  - 设置共享内存的属性,通过buf参数输入,
           仅以下三个属性可设置:

    shmid_ds::shm_perm.uid
    shmid_ds::shm_perm.gid
    shmid_ds::shm_perm.mode

IPC_RMID - 标记删除共享内存。
           并非真正删除共享内存,只是做一个删除标记,
           禁止其被继续加载,但已有加载依然保留。
           只有当该共享内存的加载计数为0时,
           才真正被删除。

B. 成功返回0,失败返回-1。

3. 编程模型
~~~~~~~~~~~

------+--------------+--------+--------------+------
 步骤 |     进程A    |  函数  |    进程B     | 步骤
------+--------------+--------+--------------+------
   1  | 创建共享内存 | shmget | 获取共享内存 |  1
   2  | 加载共享内存 | shmat  | 加载共享内存 |  2
   3  | 使用共享内存 | ...    | 使用共享内存 |  3
   4  | 卸载共享内存 | shmdt  | 卸载共享内存 |  4
   5  | 销毁共享内存 | shmctl |     ----     |
------+--------------+--------+--------------+------

范例:wshm.c、rshm.c

五、消息队列
------------

1. 基本特点
~~~~~~~~~~~

1) 消息队列是一个由系统内核负责存储和管理,
   并通过消息队列标识引用的数据链表。

2) 可以通过msgget函数创建一个新的消息队列,
   或获取一个已有的消息队列。
   通过msgsnd函数向消息队列的后端追加消息,
   通过msgrcv函数从消息队列的前端提取消息。

3) 消息队列中的每个消息单元除包含消息数据外,
   还包含消息类型和数据长度。

4) 内核为每个消息队列,
   维护一个msqid_ds结构体形式的消息队列对象。

2. 常用函数
~~~~~~~~~~~

#include <sys/msg.h>

1) 创建/获取消息队列

int msgget (key_t key, int msgflg);

A. 该函数以key参数为键值创建消息队列,
   或获取已有的消息队列。

B. msgflg取值:

0         - 获取,不存在即失败。

IPC_CREAT - 创建,不存在即创建,
            已存在即获取,除非...

IPC_EXCL  - 排斥,已存在即失败。

C. 成功返回消息队列标识,失败返回-1。

2) 向消息队列发送消息

int msgsnd (int msqid, const void* msgp,
    size_t msgsz, int msgflg);

A. msgp参数指向一个包含消息类型和消息数据的内存块。
   该内存块的前4个字节必须是一个大于0的整数,
   代表消息类型,其后紧跟消息数据。
   消息数据的字节长度用msgsz参数表示。

        +---------------+-----------------+
msgp -> | 消息类型 (>0) |    消息数据     |
        +---------------+-----------------+
        |<----- 4 ----->|<---- msgsz ---->|

注意:msgsz参数并不包含消息类型的字节数(4)。

B. 若内核中的消息队列缓冲区有足够的空闲空间,
   则此函数会将消息拷入该缓冲区并立即返回0,
   表示发送成功,否则此函数会阻塞,
   直到内核中的消息队列缓冲区有足够的空闲空间为止
   (比如有消息被接收)。

C. 若msgflg参数包含IPC_NOWAIT位,
   则当内核中的消息队列缓冲区没有足够的空闲空间时,
   此函数不会阻塞,而是返回-1,errno为EAGAIN。

D. 成功返回0,失败返回-1。

3) 从消息队列接收消息

ssize_t msgrcv (int msqid, void* msgp, size_t msgsz,
    long msgtyp, int msgflg);

A. msgp参数指向一个包含消息类型(4字节),
   和消息数据的内存块,
   其中消息数据缓冲区的字节大小用msgsz参数表示。

B. 若所接收到的消息数据字节数大于msgsz参数,
   即消息太长,且msgflg参数包含MSG_NOERROR位,
   则该消息被截取msgsz字节返回,剩余部分被丢弃。

C. 若msgflg参数不包含MSG_NOERROR位,消息又太长,
   则不对该消息做任何处理,直接返回-1,errno为E2BIG。

D. msgtyp参数表示期望接收哪类消息:

=0 - 返回消息队列中的第一条消息。

>0 - 若msgflg参数不包含MSG_EXCEPT位,
     则返回消息队列中第一个类型为msgtyp的消息;
     若msgflg参数包含MSG_EXCEPT位,
     则返回消息队列中第一个类型不为msgtyp的消息。

<0 - 返回消息队列中类型小于等于msgtyp的绝对值的消息。
     若有多个,则取类型最小者。

        +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
        |  3  |  4  |  2  |  1  |  3  |  2  |  4  |  3  |  3  |
-> rear +-   -+-   -+-   -+-   -+-   -+-   -+-   -+-   -+-   -+ front ->
        | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |
        +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
           ^                       ^                 ^     ^
           4                       3                 2     1

msgrcv (..., ..., ..., 3, ...);

E. 若消息队列中有可接收消息,
   则此函数会将该消息移出消息队列并立即返回0,
   表示接收成功,否则此函数会阻塞,
   直到消息队列中有可接收消息为止。

F. 若msgflg参数包含IPC_NOWAIT位,
   则当消息队列中没有可接收消息时,此函数不会阻塞,
   而是返回-1,errno为ENOMSG。

G. 成功返回所接收到的消息数据的字节数,失败返回-1。

4) 销毁/控制消息队列

int msgctl (int msqid, int cmd, struct msqid_ds* buf);

struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;     // 权限信息
    time_t          msg_stime;    // 随后发送时间
    time_t          msg_rtime;    // 最后接收时间
    time_t          msg_ctime;    // 最后改变时间
    unsigned long   __msg_cbytes; // 消息队列中的字节数
    msgqnum_t       msg_qnum;     // 消息队列中的消息数
    msglen_t        msg_qbytes;   // 消息队列能容纳的最大字节数
    pid_t           msg_lspid;    // 最后发送进程PID
    pid_t           msg_lrpid;    // 最后接收进程PID
};

struct ipc_perm {
    key_t          __key; // 键值
    uid_t          uid;   // 有效属主ID
    gid_t          gid;   // 有效属组ID
    uid_t          cuid;  // 有效创建者ID
    gid_t          cgid;  // 有效创建组ID
    unsigned short mode;  // 权限字
    unsigned short __seq; // 序列号
};

A. cmd取值:

IPC_STAT - 获取消息队列的属性,通过buf参数输出。

IPC_SET  - 设置消息队列的属性,通过buf参数输入,
           仅以下四个属性可设置:

    msqid_ds::msg_perm.uid
    msqid_ds::msg_perm.gid
    msqid_ds::msg_perm.mode
    msqid_ds::msg_qbytes

IPC_RMID - 立即删除消息队列。
           此时所有阻塞在对该消息队列的,
           msgsnd和msgrcv函数调用,
           都会立即返回失败,errno为EIDRM。

B. 成功返回0,失败返回-1。

3. 编程模型
~~~~~~~~~~~

------+--------------+---------------+--------------+------
 步骤 |     进程A    |      函数     |    进程B     | 步骤
------+--------------+---------------+--------------+------
   1  | 创建消息队列 |     msgget    | 获取消息队列 |  1
   2  | 发送接收消息 | msgsnd/msgrcv | 发送接收消息 |  2
   3  | 销毁消息队列 |     msgctl    |     ----     |
------+--------------+---------------+--------------+------

范例:wmsq.c、rmsq.c

练习:基于消息队列的本地银行。

代码:bank/

六、信号量
----------

1. 基本特点
~~~~~~~~~~~

1) 计数器,用于限制多个进程对有限共享资源的访问。

2) 多个进程获取有限共享资源的操作模式

A. 测试控制该资源的信号量;

B. 若信号量大于0,则进程可以使用该资源,
   为了表示此进程已获得该资源,需将信号量减1;

C. 若信号量等于0,则进程休眠等待该资源,
   直到信号量大于0,进程被唤醒,执行步骤A;

D. 当某进程不再使用该资源时,信号量增1,
   正在休眠等待该资源的其它进程将被唤醒。

2. 常用函数
~~~~~~~~~~~

#include <sys/sem.h>

1) 创建/获取信号量

int semget (key_t key, int nsems, int semflg);

A. 该函数以key参数为键值创建一个信号量集合
   (nsems参数表示集合中的信号量数),
   或获取已有的信号量集合(nsems取0)。

B. semflg取值:

0         - 获取,不存在即失败。

IPC_CREAT - 创建,不存在即创建,
            已存在即获取,除非...

IPC_EXCL  - 排斥,已存在即失败。

C. 成功返回信号量集合标识,失败返回-1。

2) 操作信号量

int semop (int semid, struct sembuf* sops,
    unsigned nsops);

struct sembuf {
    unsigned short sem_num; // 信号量下标
    short          sem_op;  // 操作数
    short          sem_flg; // 操作标记
};

A. 该函数对semid参数所标识的信号量集合中,
   由sops参数所指向的包含nsops个元素的,
   结构体数组中的每个元素,依次执行如下操作:

a) 若sem_op大于0,
   则将其加到第sem_num个信号量的计数值上,
   以表示对资源的释放;

b) 若sem_op小于0,
   则从第sem_num个信号量的计数值中减去其绝对值,
   以表示对资源的获取;

c) 若第sem_num个信号量的计数值不够减(信号量不能为负),
   则此函数会阻塞,直到该信号量够减为止,
   以表示对资源的等待;

d) 若sem_flg包含IPC_NOWAIT位,
   则当第sem_num个信号量的计数值不够减时,
   此函数不会阻塞,而是返回-1,errno为EAGAIN,
   以便在等待资源的同时还可做其它处理;

e) 若sem_op等于0,
   则直到第sem_num个信号量的计数值为0时才返回,
   除非sem_flg包含IPC_NOWAIT位。

B. 成功返回0,失败返回-1。

3) 销毁/控制信号量

int semctl (int semid, int semnum, int cmd);
int semctl (int semid, int semnum, int cmd,
    union semun arg);

union semun {
    int              val;   // Value for SETVAL
    struct semid_ds* buf;   // Buffer for IPC_STAT, IPC_SET
    unsigned short*  array; // Array for GETALL, SETALL
    struct seminfo*  __buf; // Buffer for IPC_INFO
};

struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;  // Ownership and permissions
    time_t          sem_otime; // Last semop time
    time_t          sem_ctime; // Last change time
    unsigned short  sem_nsems; // No. of semaphores in set
};

struct ipc_perm {
    key_t          __key; // 键值
    uid_t          uid;   // 有效属主ID
    gid_t          gid;   // 有效属组ID
    uid_t          cuid;  // 有效创建者ID
    gid_t          cgid;  // 有效创建组ID
    unsigned short mode;  // 权限字
    unsigned short __seq; // 序列号
};

A. cmd取值:

IPC_STAT - 获取信号量集合的属性,通过arg.buf输出。

IPC_SET  - 设置信号量集合的属性,通过arg.buf输入,
           仅以下四个属性可设置:

    semid_ds::sem_perm.uid
    semid_ds::sem_perm.gid
    semid_ds::sem_perm.mode

IPC_RMID - 立即删除信号量集合。
           此时所有阻塞在对该信号量集合的,
           semop函数调用,都会立即返回失败,
           errno为EIDRM。

GETALL   - 获取信号量集合中每个信号量的计数值,
           通过arg.array输出。

SETALL   - 设置信号量集合中每个信号量的计数值,
           通过arg.array输入。

GETVAL   - 获取信号量集合中,
           第semnum个信号量的计数值,
           通过返回值输出。

SETVAL   - 设置信号量集合中,
           第semnum个信号量的计数值,
           通过arg.val输入。

注意:只有针对信号量集合中具体某个信号量的操作,
才会使用semnum参数。针对整个信号量集合的操作,
会忽略semnum参数。

B. 成功返回值因cmd而异,失败返回-1。

3. 编程模型
~~~~~~~~~~~

------+------------+--------+------------+------
 步骤 |    进程A   |  函数  |   进程B    | 步骤
------+------------+--------+------------+------
   1  | 创建信号量 | semget | 获取信号量 |  1
   2  | 初始信号量 | semctl |    ----    |
   3  | 加减信号量 | semop  | 加减信号量 |  2
   4  | 销毁信号量 | semctl |    ----    |
------+------------+--------+------------+------

范例:csem.c、gsem.c

七、IPC命令
-----------

1. 显示
~~~~~~~

ipcs -m - 显示共享内存(m: memory)
ipcs -q - 显示消息队列(q: queue)
ipcs -s - 显示信号量(s: semphore)
ipcs -a - 显示所有IPC对象(a: all)

2. 删除
~~~~~~~

ipcrm -m ID - 删除共享内存
ipcrm -q ID - 删除消息队列
ipcrm -s ID - 删除信号量




7.7-UC-第七课:进程通信

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