經典技巧之Linux程序間通訊

本篇文章給大家帶來了關於linux程序間通訊的相關知識，其中包括管道、匿名管道、共用記憶體等相關問題，希望對大家有幫助。

·程序間通訊：作業系統為系統提供的用於實現程序間通訊的方式

程序之間是無法直接通訊的，因為每個程序都有獨立的虛擬地址空間，存取的都是自己的虛擬地址，因此程序具有獨立性，無法直接通訊

根據通訊場景的不同，因此提供了多種不同的通訊方式

程序間通訊方式種類：管道、共用記憶體、訊息佇列、號誌

·管道

特性：半雙工通訊--可以選擇方向的單向通訊

本質：在核心中開闢一塊緩衝區（核心空間中的一塊記憶體）

原理：多個程序通過存取同一塊核心中的緩衝區實現通訊（複製緩衝區的操作控制程式碼）

分類：匿名管道：緩衝區沒有識別符號，只能用於具有親緣關係的程序間通訊

命名管道：緩衝區具有識別符號，可用於同一主機上任意的程序間通訊

linux下一切皆檔案--所有東西都是當做檔案一樣進行操作（包括管道），通過IO操作完成對管道的存取

·匿名管道

返回值：成功返回0；失敗返回-1

特性：只能用於具有親緣關係的程序間通訊

匿名管道沒有識別符號，無法被其他程序找到，只能通過子程序複製父程序的方式獲取到操作控制程式碼實現通訊

讀寫特性：若管道中沒有資料，則read會阻塞

若管道中資料滿了，則write會阻塞

所有的管道的讀端被關閉，則繼續write則會觸發異常，導致程序崩潰退出

所有的管道的寫端被關閉，則繼續read則會讀完資料後返回0，不再阻塞

注：管道是半雙工通訊，在通訊時，一旦選定了方向，應將不使用的那一端關閉。

· 命名管道：本質是核心中的一塊緩衝區，具有識別符號，可以被其他程序找到，因此可用於同一主機上的任意程序間通訊

命名管道的識別符號就是一個可見於檔案系統的管道型別檔案

多個程序通過開啟同一個管道檔案，存取同一塊核心中的緩衝區實現通訊

命令操作：mkfifo filename 建立一個命名管道檔案

函數操作：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

pathname：檔名稱；mode：建立許可權

返回值：成功返回0；失敗返回-1

·總結：管道的本質：核心空間中的一塊緩衝區

原理：多個程序通過存取同一塊緩衝區實現資料傳輸

分類：匿名管道、命名管道

匿名管道：只能用於具有親緣關係的程序間通訊

命名管道：可以用於同一主機上任意程序間通訊

特性：①半雙工通訊--可以選擇方向的單向通訊

提供位元組流傳輸服務：有序的、可靠的、基於連線的一種流式傳輸

基於連線：所有讀端關閉則write異常；所有寫端關閉則read返回0

②自帶同步與互斥：

同步：通過同一時間程序對臨界資源的唯一存取實現存取操作安全

互斥：通過一些條件判斷讓程序對臨界資源的存取更加合理有序

互斥的體現：對管道進行寫入操作的大小不超過PIPE_BUF-4096大小，則保證操作的原子性

同步的體現：管道沒有資料則read阻塞，管道資料寫滿則write阻塞

③生命週期隨程序：不人為干預情況下，所有開啟管道的程序退出後，管道緩衝區被釋放

·共用記憶體：用於實現程序間的資料共用

本質：一塊實體記憶體

原理：開闢一塊實體記憶體空間，多個程序將同一塊對映到自己的虛擬地址空間，通過虛擬地址直接進行存取，進而實現資料共用

特性：最快的程序間通訊方式，生命週期隨核心

共用記憶體通過虛擬地址直接存取實體記憶體，實現資料共用，相對於其他方式需要將資料拷貝到核心，使用時拷貝到使用者態，少了兩次資料拷貝操作

注意事項：對共用記憶體的操作需要注意安全問題

操作流程：

①建立或開啟共用記憶體

②將共用記憶體對映到程序的虛擬地址空間

③通過對映的虛擬地址進行各種記憶體操作

④解除對映關係

⑤刪除共用記憶體

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

key：識別符號（多個程序通過相同的識別符號開啟同一塊共用記憶體）

size：建立時所開闢的空間大小（以記憶體頁為單位）

shmflg：開啟方式 + 建立許可權--IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664

返回值：成功返回一個非負整數--操作控制程式碼；失敗返回-1

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

shmid：shmget返回的操作控制程式碼

shmaddr：對映地址，通常設定為NULL

shmflg：對映成功後的存取方式；SHM_RDONLY-唯讀；0-讀寫

返回值：成功則返回對映後的首地址；失敗返回(void *)-1

int shmdt(const void *shmaddr);

shmaddr：對映後的首地址

返回值：成功返回0；失敗返回-1

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

shmid：shmget返回的操作控制程式碼

cmd：操作型別--IPC_RMID 標記共用記憶體為被銷燬

buf：對於IPC_RMID，成功返回0，失敗發返回-1

·訊息佇列

本質：核心中的一個優先順序佇列，多個程序通過存取同一個佇列，向佇列中新增或者獲取節點而實現程序間的資料塊傳輸

特性：自帶同步與互斥，生命週期隨核心

·號誌

本質：核心中的一個計數器 + pcb等待佇列

作用：用於實現程序間的同步與互斥，協調程序對臨界資源的存取

P操作：計數器-1，判斷若計數小於0則阻塞程序

V操作：計數器+1，喚醒一個阻塞的程序

通過自身的計數器對資源進行計數，通過計數判斷程序對資源的獲取是否合理，不合理則阻塞。等待產生一個資源之後，喚醒阻塞的程序

同步的實現：通過計數器對資源進行計數，在獲取資源之前進行P操作

互斥的實現：計數器為1，表示資源只有一個，程序存取資源之前進行P操作，存取完畢後進行V操作