Linux进程间通信--进程，信号，管道，消息队列，信号量，共享内存

Linux进程间通信--进程，信号，管道，消息队列，信号量，共享内存

参考：《linux编程从入门到精通》,《Linux C程序设计大全》,《unix环境高级编程》

参考：C和指针学习 

说明：本文非常的长，也是为了便于查找和比较，所以放在一起了

Linux 传统的进程间通信有很多，如各类管道、消息队列、内存共享、信号量等等。但它们都无法介于内核态与用户态使用，原因如表

通信方法无法介于内核态与用户态的原因管道（不包括命名管道）局限于父子进程间的通信。消息队列在硬、软中断中无法无阻塞地接收数据。信号量无法介于内核态和用户态使用。内存共享需要信号量辅助，而信号量又无法使用。套接字在硬、软中断中无法无阻塞地接收数据。

一.进程

1.进程表

ps显示正在运行的进程

# ps -ef

TIME 进程目前占用的cpu时间，CMD显示启动进程所使用的命令

#ps ax

STAT表明进程的状态

S 睡眠，s进程是会话期首进程；R 运行；D 等待；T 停止；Z 僵尸；N 低优先级任务,nice；W 分页；

+进程属于前台进程组；l 进程是多线程；<高优先级任务

#ps -l  或#ps -al

表现良好的程序为nice程序，系统根据进程的nice值决定他的优先级

-f是长格式

2.父子进程id

pid当前进程的；

uid当前进程的实际用户

eid当前进程的有效用户

#include

运行结果：

3.设置进程组id以及进程sleep

setpgid使当前进程为新进程组的组长

#include

说明：setpgid(0,0)等价于setpgrp(0,0)

setpgid(0,0)第1个参数用于指定要修改的进程id。如果为0，则指当前进程。第2个参数用于指定新的进程组id。如果为0，则指当前进程。

先运行程序

#./example13_2

再查看进程

#ps alef

#ps -ao pid,pgrp,cmd|grep 13_2  

或者

#ps -ao pid,pgrp,cmd

4.子进程

fork为0说明是父进程

#include

输出

fork...
AA

注意： 

警告： 隐式声明与内建函数 ‘exit’ 不兼容 
警告： 隐式声明与内建函数 ‘sprintf’ 不兼容   
警告： 隐式声明与内建函数 ‘printf’ 不兼容
加入这两个头文件就可以了！
#include

#ps -ao pid,pgrp,cmd

3165就是子进程

#ps alef

5.进程会话

setsid的调用进程应该不是某个进程组的组长进程；

setsid调用成功后生成新会话，新会话id是调用进程的进程id；

新会话只包含一个进程组一个进程即调用进程，没有控制终端。

setid主要是实现进程的后台运行

#include

修改后的程序

#include

父进程必须调用wait等待子进程推出，如果没有子进程退出exit，则wait进入阻塞！

6.进程的控制终端

#tty

在secureCRT中观看其他的会输出

/dev/pts/1等依次类推

#ps -ax

查看进程的控制终端

有列tty的就是控制终端，有值表明进程有控制终端，无则表明是后台进程。

延伸：php的POSIX 函数以及进程测试

7.进程的状态

可运行；

等待；

暂停；

僵尸；

进程在终止前向父进程发送SIGCLD信号，父进程调用wait等待子进程的退出！

如果，父进程没有调用wait而子进程已经退出，那么父进程成为僵尸进程；

如果，父进程没有等子进程退出自己已经先退出，那么子进程成为孤儿进程；

通过top命令看到

8.进程的优先级

优先级数值越低，则优先级越高！

优先级由优先级别（PR）+进程的谦让值（NI）  联合确定。

PR值是由父进程继承而来，是不可修改的。

Linux提供nice系统调用修改自身的NI值；setpriority系统调用可以修改其他进程以及进程组的NI值。

#include

输出：

priority is 3

9.用fork创建进程

调用fork一次返回2次，分别在父进程和子进程中返回，父进程中其返回值是子进程的进程标识符，子进程中其返回值是0。

#include

（注意保存为UTF-8格式，因为有中文）

输出：

10.vfork和fork之间的区别

vfork用于创建一个新进程，而该新进程的目的是exec一个新进程，vfork和fork一样都创建一个子进程，但是它并不将父进程的地址空间完全复制到子进程中，不会复制页表。因为子进程会立即调用exec，于是也就不会存放该地址空间。不过在子进程中调用exec或exit之前，他在父进程的空间中运行。
为什么会有vfork，因为以前的fork当它创建一个子进程时，将会创建一个新的地址空间，并且拷贝父进程的资源，而往往在子进程中会执行exec调用，这样，前面的拷贝工作就是白费力气了，这种情况下，聪明的人就想出了vfork，它产生的子进程刚开始暂时与父进程共享地址空间（其实就是线程的概念了），因为这时候子进程在父进程的地址空间中运行，所以子进程不能进行写操作，并且在儿子“霸占”着老子的房子时候，要委屈老子一下了，让他在外面歇着（阻塞），一旦儿子执行了exec或者exit后，相当于儿子买了自己的房子了，这时候就相当于分家了。
vfork和fork之间的另一个区别是： vfork保证子进程先运行，在她调用exec或exit之后父进程才可能被调度运行。如果在调用这两个函数之前子进程依赖于父进程的进一步动作，则会导致死锁。
由此可见，这个系统调用是用来启动一个新的应用程序。其次，子进程在vfork()返回后直接运行在父进程的栈空间，并使用父进程的内存和数据。这意味着子进程可能破坏父进程的数据结构或栈，造成失败。
为了避免这些问题，需要确保一旦调用vfork()，子进程就不从当前的栈框架中返回，并且如果子进程改变了父进程的数据结构就不能调用exit函数。子进程还必须避免改变全局数据结构或全局变量中的任何信息，因为这些改变都有可能使父进程不能继续。
通常，如果应用程序不是在fork()之后立即调用exec()，就有必要在fork()被替换成vfork()之前做仔细的检查。
用fork函数创建子进程后，子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序，当进程调用一种exec函数时，该进程完全由新程序代换，而新程序则从其main函数开始执行，因为调用exec并不创建新进程，所以前后的进程id 并未改变，exec只是用另一个新程序替换了当前进程的正文，数据，堆和栈段。

11.exec

清除父进程的可执行代码影像，用新代码覆盖父进程。

参考：Linux exec与重定向

#include

12.system创建进程

system系统调用是为了方便调用外部程序，执行完毕后返回调用进程。

#include

输出：

13.退出进程

调用exit退出进程

调用wait等待进程退出

#include

输出：

二.信号

信号又称软终端，通知程序发生异步事件，程序执行中随时被各种信号中断，进程可以忽略该信号，也可以中断当前程序转而去处理信号，引起信号原因：

1).程序中执行错误码；

2).其他进程发送来的；

3).用户通过控制终端发送来；

4).子进程结束时向父进程发送SIGCLD；

5).定时器生产的SIGALRM；

1.信号分类

#kill -l

获取信号列表，信号值)  信号名

1-31是不可靠信号（可能丢失）；32-64是可靠信号（操作系统保证不丢失）

信号列表参考：http://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/7494565

信号安装：定义进程收到信号后的处理方法

signal系统调用安装信号

#include

输出：

按Ctrl+C

receive signal 2

sigaction系统调用(更多的控制，完全可以替代signal)

#include

输出：

按Ctrl+C

receive signal 2,addtional data is 12364176

2.信号处理方式3种：

1.忽略信号-大多可以忽略，只有SIGKILL和SIGSTOP除外；

2.捕捉信号-先安装

3.默认操作

3.信号阻塞

阻塞是指系统内核暂停向进程发送指定信号，由内核对进程接收到的信号缓存，直到解除阻塞为止。

信号3种进入阻塞的情况：

1.信号处理函数执行过程中，该信号将阻塞；

2.通过sigaction信号安装，如果设置了sa_mask阻塞信号集；

3.通过系统调用sigprocmask

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

参数：
how：用于指定信号修改的方式，可能选择有三种

SIG_BLOCK //加入信号到进程屏蔽。
SIG_UNBLOCK //从进程屏蔽里将信号删除。
SIG_SETMASK //将set的值设定为新的进程屏蔽。

set：为指向信号集的指针，在此专指新设的信号集，如果仅想读取现在的屏蔽值，可将其置为NULL。
oldset：也是指向信号集的指针，在此存放原来的信号集。

#include

输出：如果不输入Ctrl+C则10秒后程序结束；如果期间有Ctrl+C则会10秒结束，之后输出Creceive signal 2

注意：子进程会继承父进程的信号掩码

4.信号集操作

对信号集中所有信号处理

数据类型 sigset_t

清空信号集sigemptyset

信号集填充全部信号sigfillset

信号集增加信号sigaddset

信号集中删除信号sigdelset

判断信号集是否包含某信号的sigismember

5.未决信号

信号产生后到信号被接收进程处理前的过渡状态，未决状态时间很短。

sigprocmask阻塞某种信号，则向进程发送这种信号处于未决状态。

sigpending获取当前进程中处于未决状态的信号

#include

6.等待信号

阻塞式系统如果没有符合条件的数据将休眠，直到数据到来，例如socket上读取数据。有2种状态可以中断该操作

1.网络上有数据，读操作获取数据后返回

2.当前进程接收信号，读操作被中断返回失败，错误码errno为EINTR

pause系统调用可以让程序暂停执行进入休眠，等待信号到来。

#include

7.信号发送

两种方式

kill 不可附加数据

sigqueue 可附加数据

#include

输出：receive addtional data is 123

8.sigalarm信号

阻塞式系统调用，为避免无限期等待，可以设置定时器信号，alarm调用

#include

输出：

SIGALRM received.
Pause time out.

9.sigcld信号

父进程捕获子进程的退出信号

子进程发送SIGCLD信号进入僵尸状态；父进程接收到该信号处理，子进程结束

#include

输出：

三.管道

单向，一段输入，另一端输出，先进先出FIFO。管道也是文件。管道大小4096字节。

特点：管道满时，写阻塞；空时，读阻塞。

分类：普通管道（仅父子进程间通信）位于内存，命名管道位于文件系统，没有亲缘关系管道只要知道管道名也可以通讯。

1.pipe建立管道

#include

执行

#./a.out   www

输出

#www

2.dup

#include

输出：129

Linux execlp函数

说明：相当于执行# ls -l |wc -l 统计当前目录下文件数量；ls -l 列出当前文件详细信息；wc -l

wc参考http://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/7515442

linux命令集锦http://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/1534099

linux常用命令http://linux.chinaitlab.com/special/linuxcom/

3.popen() 函数

用于创建一个管道，其内部实现为调用 fork 产生一个子进程，执行一个 shell 以运行命令来开启一个进程，这个进程必须由 pclose() 函数关闭。
#include

4.命名管道

mknod

mknod 管道名称 p

#include

mkfifo

mkfifo -m 权限 管道名称

#include

mknod和mkfifo的区别

mknod系统调用会产生由参数path锁指定的文件，生成文件类型和访问权限由参数mode决定。

在很多unix的版本中有一个C库函数mkfifo，与mknod不同的是多数情况下mkfifo不要求用户有超级用户的权限

利用命令创建命名管道p1.

#mkfifo -m 0644 p1

#mknod p2 p

#ll

#include

5.管道读写

通过open打开，默认是阻塞方式打开，如果open指定O_NONBLOCK则以非阻塞打开。

O_NONBLOCK和O_NDELAY所产生的结果都是使I/O变成非搁置模式(non-blocking)，在读取不到数据或是写入缓冲区已满会马上return，而不会搁置程序动作，直到有数据或写入完成。


它们的差别在于设立O_NDELAY会使I/O函式马上回传0，但是又衍生出一个问题，因为读取到档案结尾时所回传的也是0，这样无法得知是哪中情况；因此，O_NONBLOCK就产生出来，它在读取不到数据时会回传-1，并且设置errno为EAGAIN。


不过需要注意的是，在GNU C中O_NDELAY只是为了与BSD的程序兼容，实际上是使用O_NONBLOCK作为宏定义，而且O_NONBLOCK除了在ioctl中使用，还可以在open时设定。

#include

  // if((fd = open("p1",O_WRONLY,0)) < 0)//只写打开管道
    {
        perror("open");
        exit(-1);
    }
    printf("open fifo p1 for write success!n");
    close(fd);
}

四.IPC对象

查看ipc对象信息

#ipcs

查看全部ipc对象信息

#ipcs -a

查看消息队列信息

#ipcs -q

查看共享内存信息

#ipcs -m

查看信号量信息

#ipcs -s

删除IPC对象的ipcrm

ipcrm -[smq] ID 或者ipcrm -[SMQ] Key

-q  -Q删除消息队列信息  例如ipcrm -q 98307

-m -M删除共享内存信息

-s -S删除信号量信息

ftok函数

产生一个唯一的关键字值

ftok原型如下：
key_t ftok( char * fname, int id )


fname就是你指定的文件名(该文件必须是存在而且可以访问的)，id是子序号，虽然为int，但是只有8个比特被使用(0-255)。


当成功执行的时候，一个key_t值将会被返回，否则 -1 被返回。


   在一般的UNIX实现中，是将文件的索引节点号取出，前面加上子序号得到key_t的返回值。如指定文件的索引节点号为65538，换算成16进制为 0x010002，而你指定的ID值为38，换算成16进制为0x26，则最后的key_t返回值为0x26010002。
查询文件索引节点号的方法是： ls -i


以下为测试程序：
ftok.c
#include

#./a.out

五.消息队列

消息队列是先进先出FIFO原则

1.消息结构模板

strut msgbuf
{
long int  mtype;//消息类型
char mtext[1];//消息内容
}

2.msgget创建消息

#include

#include

3.msgsnd消息发送

int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t length, int flag);
此函数发送消息到指定的消息对列

#include

队列中已经有一条消息，长度6字节

4.msgrcv消息发送

#include

输出：

msgrcv return length=[6] text=[123456]

5.msgctl控制消息

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
消息队列控制函数
其中msqid为消息队列描述符
cmd有以下三种：
IPC_RMID：删除msgid指定的消息队列，当前在该队列上的任何消息都被丢弃，对于该命令，buf参数可忽略
IPC_SET:设置消息队列msgid_ds结构体的四个成员：msg_perm.uid，msg_perm_gid，msg_perm.mode和msg_qbytes。它们的值来自由buf指向的结构体中的相应成员。
IPC_STAT:给调用者通过buf返回指定消息队列当前对应msgid_ds结构体
函数执行成功返回0，失败返回-1

#include

说明： (~0222)取反后做与实际上就是去除其他用户的写权限，在C语言中，八进制常用用前缀表示

六.共享内存

共享内存是分配一块能被其他进程访问的内存，实现是通过将内存去映射到共享它的进程的地址空间，使这些进程间的数据传送不再涉及内核，即，进程间通信不需要通过进入内核的系统调用来实现；

共享内存与其他的进程间通信最大的优点是：数据的复制只有两次，一次是从输入文件到共享内存区，一次从共享内存区到输出文件

而其他的则是需要复制4次：服务器将输入文件读入自己的进程空间，再从自己的进程空间写入管道/消息队列等；客户进程从管道/消息队列中读出数据到自己的进程空间，最后输出到客户指定的文件中；

要使用共享内存，应该有如下步骤:
1.开辟一块共享内存     shmget()
2.允许本进程使用共某块共享内存  shmat()
3.写入/读出
4.禁止本进程使用这块共享内存   shmdt()
5.删除这块共享内存     shmctl()或者命令行下ipcrm

1.shmget创建共享内存

#include

int    shmget( key_t shmkey , int shmsiz , int flag );

shmget()是用来开辟/指向一块共享内存的函数。参数定义如下：
key_t shmkey 是这