APUE第15章 进程间通讯

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jayyao Oct 25, 2018

IPC类型

  1. 半双工管道、FIFO
  2. 全双工管道、命名全双工管道
  3. XSI消息队列、XSI信号量、XSI共享存储
  4. 消息队列（实时）、信号量、共享存储（实时）
  5. 套接字

管道

管道一般是半双工的，即便全双工也可以在半双工的条件下工作，一般为了移植性考虑不能假设他是全双工工作的。管道只能在具有公共祖先的进程中使用。所以一般是父进程创建管道后fork。而FIFO没有这种局限性。

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#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
//通过参数返回两个文件描述符，fd[0]为读打开，f[1]为写打开

单个进程打开管道并没有什么意义，一般是fork后，父进程关闭读/写端，子进程关闭写/读端，当然也可以不关闭，只要注意是半双工的，同一时间消息只能有一个方向。

  1. 当读一个写端关闭的管道时，数据读完后再read会返回0，表示到文件尾，如果读端仍有进程则不会有这种情况。
  2. 如果写一个读端关闭则产生SIGPIPE信号，捕获或忽略后write返回-1，errno为EPIPE
  3. 写管道时，常量PIPE_BUF规定了内核缓冲区大小，如果写的时候字节数比这个小，则不会和其他写这个管道的write进行交叉操作，如果超过了，那么所写数据可能会与其他进程相互交叉（即不能保证原子性）。用pathconf或fpathconf可以确定PIPE_BUF的值。
  4. 管道设置非阻塞模式的时候read和write失败都会立即返回-1

popen和pclose

popen的作用一般是先fork然后调用exec执行cmdstring，并返回一个标准I/O文件指针，如果type是”r”，则文件指针连接到cmdstring的标准输出；如果type是”w”，则文件指针指向cmdstring的标准输入。

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#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);
int pclose(FILE *fp);//若成功返回cmdstring的终止状态，出错返回-1

pclose执行时，关闭标准I/O流，然后等待cmdstring的返回结果。

Notes：如果cmdstring不能执行，则pclose返回的终止状态与shell已执行exit(127)一样。

FIFO

命名管道。主要不同是让不相关的进程之间也可以交换数据。FIFO是一张文件类型。

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#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);
int mkfifoat(int fd, const char *path, mode_t mode);
//成功返回0，出错返回-1
  1. 如果path是绝对路径的时候，fd参数会被忽略
  2. 如果path是相对路径，则相对于fd（必须是目录）所在位置进行变化
  3. 如果path是一个特注释AT_FDCWD，则从当前路径开始
  4. 不论使用哪个函数，之后都需要通过open来打开

FIFO的设置和出错与管道基本类似，详情见《APUE》P446

XSI IPC

标识符和键

标识符是IPC对象的内部名，键（key）是IPC对象的外部名，一般创建XSI IPC的函数返回的都是key_t类型的键。

权限结构

XSI IPC为每一个IPC都关联了一个ipc_perm结构，规定了权限和所有者，至少包括以下成员（定义于<sys/ipc.h>）

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struct{
    uid_t uid;  //owner's effective user id
    gid_t gif;  //owner's effective group id
    uid_t cuid; //creator's effective user id
    git_t cgid; //creator's effective group id
    mode_t mode;//access mode
    //......
};

优点和缺点

XSI IPC最基本的问题是没有引用计数，所以如果创建了消息队列，然后终止，那么内容不会被删除，而对于管道，如果引用计数为0就被删除了；对于命名管道，引用计数为0时内部内容销毁，仅保留命名管道的名字，直到被显式删除。

第二个问题是XSI IPC在文件系统中没有名字，无法使用文件处理的函数对他们的属性进行修改。这些形式的IPC不适用文件描述符，所以无法使用I/O多路复用。

优点是比较可靠，因为这些IPC形式被限制在一台主机上。

消息队列

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struct msgid_ds{
    struct ipc_perm msg_perm;
    msgqnum_t       msg_qnum;// num of messages on queue
    msglen_t        msg_qbtes;//max num of bytes on queue
    pid_t           msg_lspid;//pid of last msgsnd()
    pit_t           msg_lrpid;//pid of last msgrcv()
    time_t          msg_stime;//last-msgsnd() time
    time_t          msg_rtime;//last-msgrcv() time
    time_t          msg_ctime;//
    //......
}

以上结构定义了队列的当前状态

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#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int flag);
//用于创建消息队列，成功返回消息队列的ID，出错返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
//成功返回0，出错返回-1
//cmd参数可以为IPC_STAT用于取数据，IPC_SET用于设置，IPC_RMID用于删除，只有root或者有效用户等于创建者可以成功删除
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t nbytes, int flag);
//成功返回0，出错返回-1
//flag可以设置IPC_NOWAIT进行不阻塞的操作
//自定义的*ptr结构如下
struct mymesg{
    long mtype; //message type, must be positive
    char mtxet[512];//content, of length nbytes 
}
ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag);
//成功返回消息数据那部分的长度，出错返回-1
//type可以指定想要那个消息，为0返回第一个，大于0返回队里消息类型为type的第一个消息，小于0返回绝对值小于type绝对值的消息，如果有若干个，先返回类型之最小的那个

信号量

本质是个计数器，对共享数据对象进行保护。要获得共享数据对象，应该先获得控制该资源的信号量，再获取，使用完，释放信号量使其加一。

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struct semid_ds{
    struct ipc_perm sem_perm;
    unsigned short  sem_nsems;// num of semaphores in set
    time_t          sem_otime;// last-semop() time
    time_t          sem_ctime;// last-change time
    //......
}
//信号量的无名结构
struct {
    unsigned short  semval; //semaphore value, always >=0
    pid_t           sempid; //pid for last operation
    unsigned short  semncnt;//num processes awaiting semval>curval
    unsigned short  semzcnt;//num processes awiting semval>=0
    //......
};
//使用时，先用semget获取信号量ID，成功返回信号ID，否则-1
int semget(key_t key, int nsems, int flag);
//对信号量的操作
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../* union semun arg* */);
//cmd的选项见《APUE》P457

共享存储

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struct shmid_ds{
    struct ipc_perm shm_perm;
    size_t          shm_segsz; //size of segment in bytes
    pid_t           shm_lpid;  //pid of last shmop
    pid_t           shm_cpid;  //pid of creator
    shmatt_t        shm_nattch;//number ofcurrent attaches
    time_t          shm_atime; //last-attach time
    time_t          shm_dtime; //last-detach time
    time_t          shm_ctime; //last-change time
    //......
};
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
//返回值，成功返回对应的ID，出错返回-1
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *df);
//成功返回0，出错返回-1
//cmd参数见《APUE》P461
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);
//成功返回指向共享段的指针，出错返回-1
int shmdt(const void *addr);
//删除成功返回0，否则返回-1

POSIX信号量

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#include <semaphore.h>
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, .../* mode_t mode, unsigned int value */);
//成功返回指向信号量的指针，出错返回SEM_FAILED
int sem_close(sem_t *sem);
int sem_unlink(const char* name);
//均为删除信号量，成功返回0，出错-1
int sem_retwait(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
//信号量-1，成功返回0，出错返回-1
#include <time.h>
int sem_timedwait(sem_t *restrict sem, const struct timespec *restrict tsptr);
//信号量-1，超时则失败
int sem_post(sem_t *sem);
//成功返回0，否则-1
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *restrict sem, int *restrict valp);
//成功0，失败-1

一般而言sem_getvalue拿到后可能已经被修改了，所以一般只用于调试，使用这种信号量的原因是它比XSI IPC的信号量在Solaris系统中快了12%，在Linux上高了94%，因为Linux的实现将文件引射到了进程地址空间中，没有使用系统调用来操作各自的信号量。