进程间通信概述

数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，发送的数据量在一个字节到几兆字节之间
共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。
通知时间：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知他们发生了某些事件（如进程终止时要通知父进程）
资源共享：多个进程之间共享同样的资源，为了做到这一点，需要内核提供锁和同步机制
进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行(如Debug进程)，此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入的异常，并能够及时指导它的状态改变。

进程间通信方式

管道(pipe)，有名管道(FIFO)
信号(signal)
共享内存(shared memory)
消息队列(message queue)
信号量(semaphore)
套接字(socket)

管道

管道针对本地计算机的两个进程之间的通信而设计的通信方式，管道建立后，实际获得两个文件描述符：一个用于读取另一个用于写入。
常见的IPC机制，通过pipe系统调用。
管道单工，数据只能向一个方向流动。双向通信时，需要建立两个管道。
数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道的缓冲区的尾部，每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道的分类

匿名管道
- 关系进程，父子或兄弟
- 由pipe系统调用，管道由父进程建立
- 管道位于内核空间，其实是一块缓存
有名管道（FIFO）
- 两个没有任何关系的进程之间通信可通过有名管道进行数据传输
- 通过系统调用mkfifo创建

管道创建

#include<unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
//返回：0成功，-1出错

两个文件描述符数组
- fd[0]:pipe的读端
- fd[1]:pipe的写端

共享内存

共享内存区域是被多个进程共享的一部分物理内存。
多个进程都可以把共享内存映射到自己的虚拟空间。所有用户空间的进程要操作共享内存，都要将其映射到自己的虚拟空间，通过映射的虚拟内存空间地址去操作共享内存，从而达到进程间的数据通信。
共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法，一个进程向共享内存区域写入了数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容
本身不提供同步机制，可通过信号量进行同步
提升数据处理效率，一种效率最高的IPC机制

共享内存属性信息

struct shmid_ds{
    struct ipc_perm shm_perm;
    size_t shm_semsz;//共享内存大小   
    pid_t shm_lpid;//最后一次调用系统pid
    pid_t shm_cpid;//pid的创建者的id
    shmatt_t shm_nattch;//和共享内存成功映射的数量
    time_t shm_atime;//最后一个成功映射的时间
    time_t shm_dtime;//最后断开映射的时间
    time_t shm_ctime;//最后改变的时间
}

共享内存使用步骤

使用shmget()函数创建共享内存
使用shmat()函数映射共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程虚拟内存空间

创建共享内存

#include <sys/shm.h>
itn shmget(key_t key,size_t size,int shmflag);
//返回，成功返回内核**享内存的表示iD，失败返回-1.

参数
- key:用户指定的共享内存键值
- size:共享内存大小
- shmflg:IPC_CREAT,IPC_EXCL等权限组合
erron
- EINVAL(无效的内存段大小)
- EEXIST(内存段已经存在，无法创建)
- EIDRM(内存段已经被删除)
- ENOENT(内存段不存在)
- EACCES(权限不够)
- ENOMEM(没有足够内存创建内存段)

共享内存控制

#include<sys/shm.h>
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);

参数
- shmid:共享内存ID
- buf:共享内存属性指针
- cmd
  - IPC_STAT 获取共享内存段属性
  - IPC_SET 设置共享内存段属性
  - IPC_RMID 删除共享内存段
  - SHM_LOCK 锁定共享内存段页面
  - SHM_UNLOCK 解锁锁定

共享内存映射和解除

#include<sys/shm.h>
void shmat(int shmid,char *shmaddr,int shmflg);
int shmdt(char  *shmaddr);
//失败返回-1

参数
- shmid:共享内存ID
- shmaddr:映射到进程虚拟内存空间的地址，系统自动分配
- shmflg:弱shmaddr为0，shmflag也是0
  - SHM_RND
  - SHMLBA 地址为2的次方
  - SHM_RDONLY 只读方式连接
errno
- EINVAL 无效的IPC ID值或无效的地址
- ENOMEM 没有足够的内存
- EACCES 权限不够
子进程不继承父进程创建的共享内存，大家是共享的，子进程继承父进程映射的地址。

消息队列

消息队列是内核中的一个链表
用户进程将数据传输到内核后，内核重新添加一些如用户ID、组ID、读写进程的ID和优先级等相关信息后并打包成一个数据包称为消息
允许一个或多个进程往消息队列中读写消息，但一个消息只能被一个进程读取，读取完毕后自动删除
消息队列具有一定的FIFO的特性，消息可以按照顺序发送到队列中，也可以几种不同的方式从队列中读取。每一个消息队列在内核中用一个唯一的IPC标识ID表示
消息队列的实现包括创建和打开队列、发送消息、读取消息和控制消息队列四种操作。

消息队列属性

struct msqid_ds
{
    struct ipc_perm msg_perm;
    msgqnum_t msg_qnum; //消息数量
    msglen_t msg_qbytes; //消息最大字节数
    pid_t msg_lspid; //最后一次发送消息进程的pid
    pid_t msg_lrpid; //最后一次接收消息的pid
    pid_t msg_stime; //最后一次消息发送的时间
    pid_t msg_ctime; //最后一次消息改变的时间
}；

打开或创建消息队列

#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key,int flag);
//返回：如果成功，返回内核中消息队列的标识ID，出错返回-1

参数
- key:用户指定的消息队列键值
- flag:IPC CREAT,IPC EXCL等权限组合
若创建消息队列，key可以指定键值，也可以设置为IPC_PRIVATE(0)。若打开进行查询，则key不能为0，必须是一个非零的值，否则查询不到

消息队列控制

#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msgid,int cmd,struct msqid_ds *buf);
//返回：成功返回0,出错返回-1

参数
- msgid：消息队列ID
- buf：消息队列属性指针
- cmd
  - IPC_STAT：获取消息队列的属性，取此队列的msqid_ds结构，并放在buf指向的结构中
  - IPC_SET：设置属性，按由buf只想的结构中的值，设置与此队列相关的结构中的字段
  - IPC_RMID：删除队列，从系统中删除该队列以及在队列上的所有数据。

发送消息

#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msgqid,const void *ptr,size_t nbytes,int flag);
//成功返回0,出错返回-1

ptr:
struct mymesg
{
    long mtype;//消息类型
    char mtext[512];//消息数据本身
};

nbytes 指定消息的大小，不包括mtype的大小
mtype指消息的类型，由一个整数来表示，且大于0
mtext消息数据本身
在Linux中，消息的最大长度是4056个字节，其中包括mtype，占4个字节
结构体mymesg用户可自定义，但第一个成员必须是mtype
参数flag
- 0：阻塞
- IPC_NOWAIT:类似文件I/O的非阻塞
- 若消息队列满（或者是队列中的消息总数等于系统限制值，或队列中的字节数等于系统限制值），则指定IPC_NOWAIT使得msgsnd立即出错返回EAGAIN。如果指定0，则
  - 阻塞直到有空间可以容纳要发送的消息
  - 或从系统中删除了此队列
  - 或捕捉到一个信号，并从信号处理程序返回

接收消息

#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msgqid,void *ptr,size_t nbytes,long type,int flag);
//成功返回消息数据部分的长度，出错返回-1

参数
- magqid：消息队列的ID
- ptr：指向存放消息的缓存
- nbytes：消息缓存的大小，不包括mtype的大小。计算方式
  - nbytes=sizeof(struct mymesg)-sizeof(long)
- type：消息类型
  - type==0：获得消息队列中的第一个消息
  - type>0：获得消息队列中类型type的第一个消息
  - type<0：获得消息队列中小于或等于type绝对值的消息
- flag：0或者IPC_NOWAIT

信号量

本质上是共享资源的数目，用来控制对共享资源的访问。
用于进程间的互斥和同步
每种恭喜那个资源对应一个信号量，为了便于大量共享资源的操作引入了信号量集，可对多有信号量一次性操作。对信号量集中所有的操作可以要求全部成功，也可以部分成功
二元信号量(信号灯)值为0和1
对信号量做PV操作

信号量集属性

#include<sysm.h>

struct semid_ds
{
    struct ipc_perm sem_perm;
    unsigned short sem_nseme; //信号灯的数量
    time_t sem_otime; //最后一次操作的时间
    time_t sem_ctime; //最后一次改变的时间
};

创建信号量集

#include <sysm.h>
int semget(key_t key,int nsems,int flag);
//返回：如果成功，返回信号量集ID，出错返回-1

参数
- key:用户指定的信号量集键值
- nsems:信号量集中信号量的个数
- flag:IPC CREAT,IPC EXCL等权限组合
若创建消息队列，key可以指定键值，也可以设置为IPC_PRIVATE(0)。若打开进行查询，则key不能为0，必须是一个非零的值，否则查询不到

信号量集控制

#include <sys/msg.h>
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,...//信号量集数组);
//返回：成功返回0,出错返回-1
union semun
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
}

参数
- semid：信号量集ID
- semnum：0表示对所有信号量操作，信号量标号从0开始。
- val：防止获取或设置信号量集中某个信号量的值
- buf：信号量属性指针
- array：防止获取或设置信号量集中所有信号量的值
- cmd
  - IPC_STAT：获取信号量的属性，取此队列的semid_ds结构，并放在buf指向的结构中
  - IPC_SET：设置属性，按由buf只想的结构中的值，设置与此信号量相关的结构中的字段
  - IPC_RMID：删除信号量，从系统中删除该信号量以及信号量上的所有数据。

信号量集操作

#include<sysm.h>
int semop(int semid,struct sembuf *sops,size_t nsops);
//成功返回0，失败返回-1

struct sembuf
{
    unsigned short sem_num; //信号量集标号
    short sem_op; //操作
    short sem_flg; //
}

参数
- semid：信号量集ID
- sops：sembuf结构体数组指针
- nsops：第二个参数中结构体数组的长度
- sem_num：信号量集中信号量的编号
- sep_op：正数为v操作，负数为p操作，0表示对共享资源是否已用完的测试
- sem_flg：SEM_UNDO标志，表示进程结束时，相应的操作将被取消，如果设置了该标志，那么在进程没有释放共享资源就退出时，内核将代为释放。
用于信号量集中信号量的PV操作
可用于进程见的互斥和同步

EStormLynn/IPC

进程间通信概述

进程间通信方式

管道

管道的分类

管道创建

共享内存

共享内存属性信息

共享内存使用步骤

创建共享内存

共享内存控制

共享内存映射和解除

消息队列

消息队列属性

打开或创建消息队列

消息队列控制

发送消息

接收消息

信号量

信号量集属性

创建信号量集

信号量集控制

信号量集操作