linux操作系統下的進(jìn)程通信的設計

linux下的進(jìn)程通信手段基本上是從Unix平臺上的進(jìn)程通信手段繼承而來(lái)的。而對Unix發(fā)展做出重大貢獻的兩大主力ATamp;T的貝爾實(shí)驗室及BSD（加州大學(xué)伯克利分校的伯克利軟件發(fā)布中心）在進(jìn)程間通信方面的側重點(diǎn)有所不同。前者對Unix早期的進(jìn)程間通信手段進(jìn)行了系統的改進(jìn)和擴充，形成了“system V IPC”，通信進(jìn)程局限在單個(gè)計算機內；后者則跳過(guò)了該限制，形成了基于套接口（socket）的進(jìn)程間通信機制。Linux則把兩者繼承了下來(lái)，如圖示：

其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信號；System V IPC包括：System V消息隊列、System V信號燈、System V共享內存區；Posix IPC包括：Posix消息隊列、Posix信號燈、Posix共享內存區。有兩點(diǎn)需要簡(jiǎn)單說(shuō)明一下：

1）由于Unix版本的多樣性，電子電氣工程協(xié)會(huì )（IEEE）開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨立的Unix標準，這個(gè)新的ANSI Unix標準被稱(chēng)為計算肪車(chē)目梢浦殘圓僮饗低辰緱媯≒SOIX）?，F有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標準的，而Linux從一開(kāi)始就遵循POSIX標準；

2）BSD并不是沒(méi)有涉足單機內的進(jìn)程間通信（socket本身就可以用于單機內的進(jìn)程間通信）。事實(shí)上，很多Unix版本的單機IPC留有BSD的痕跡，如4.4BSD支持的匿名內存映射、4.3+BSD對可靠信號語(yǔ)義的實(shí)現等等。

linux下進(jìn)程間通信的幾種主要手段簡(jiǎn)介：

1.管道

管道是進(jìn)程間通信中最古老的方式，它包括無(wú)名管道和有名管道兩種，前者可用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信，即可用于父進(jìn)程和子進(jìn)程間的通信，后者額克服了管道沒(méi)有名字的限制，因此，除具有前者所具有的功能外，它還允許無(wú)親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信，即可用于運行于同一臺機器上的任意兩個(gè)進(jìn)程間的通信。

無(wú)名管道由pipe（）函數創(chuàng )建：

#include unistd.h>

int pipe(int filedis[2])；

參數filedis返回兩個(gè)文件描述符：filedes[0]為讀而打開(kāi)，filedes[1]為寫(xiě)而打開(kāi)。filedes[1]的輸出是filedes[0]的輸入。

在Linux系統下，有名管道可由兩種方式創(chuàng )建：命令行方式mknod系統調用和函數mkfifo。下面的兩種途徑都在當前目錄下生成了一個(gè)名為myfifo的有名管道：

方式一：mkfifo("myfifo","rw");

方式二：mknod myfifo p

生成了有名管道后，就可以使用一般的文件I/O函數如open、close、read、write等來(lái)對它進(jìn)行操作。

2.消息隊列

消息隊列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊列system V消息隊列。消息隊列用于運行于同一臺機器上的進(jìn)程間通信，它和管道很相似，有足夠權限的進(jìn)程可以向隊列中添加消息，被賦予讀權限的進(jìn)程則可以讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信號承載信息量少，管道只能承載無(wú)格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點(diǎn)。

我們可以用流管道或者套接口的方式來(lái)取代它。

3.共享內存

共享內存是運行在同一臺機器上的進(jìn)程間通信最快的方式，因為數據不需要在不同的進(jìn)程間復制。通常由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng )建一塊共享內存區，其余進(jìn)程對這塊內存區進(jìn)行讀寫(xiě)。共享內存往往與其它通信機制，如信號量結合使用，來(lái)達到進(jìn)程間的同步及互斥。

首先要用的函數是shmget，它獲得一個(gè)共享存儲標識符。

#include sys/types.h>

#include sys/ipc.h>

#include sys/shm.h>

int shmget(key_t key, int size, int flag);

這個(gè)函數有點(diǎn)類(lèi)似大家熟悉的malloc函數，系統按照請求分配size大小的內存用作共享內存。Linux系統內核中每個(gè)IPC結構都有的一個(gè)非負整數的標識符，這樣對一個(gè)消息隊列發(fā)送消息時(shí)只要引用標識符就可以了。這個(gè)標識符是內核由IPC結構的關(guān)鍵字得到的，這個(gè)關(guān)鍵字，就是上面第一個(gè)函數的key。數據類(lèi)型key_t是在頭文件sys/types.h中定義的，它是一個(gè)長(cháng)整形的數據。在我們后面的章節中，還會(huì )碰到這個(gè)關(guān)鍵字。

當共享內存創(chuàng )建后，其余進(jìn)程可以調用shmat（）將其連接到自身的地址空間中。

void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);

shmid為shmget函數返回的共享存儲標識符，addr和flag參數決定了以什么方式來(lái)確定連接的地址，函數的返回值即是該進(jìn)程數據段所連接的實(shí)際地址，進(jìn)程可以對此進(jìn)程進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

使用共享存儲來(lái)實(shí)現進(jìn)程間通信的注意點(diǎn)是對數據存取的同步，必須確保當一個(gè)進(jìn)程去讀取數據時(shí)，它所想要的數據已經(jīng)寫(xiě)好了。通常，信號量被要來(lái)實(shí)現對共享存儲數據存取的同步，另外，可以通過(guò)使用shmctl函數設置共享存儲內存的某些標志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等來(lái)實(shí)現。

4. 信號量

信號量又稱(chēng)為信號燈，它是用來(lái)協(xié)調不同進(jìn)程間的數據對象的，而最主要的應用是前一節的共享內存方式的進(jìn)程間通信。本質(zhì)上，信號量是一個(gè)計數器，它用來(lái)記錄對某個(gè)資源（如共享內存）的存取狀況。一般說(shuō)來(lái)，為了獲得共享資源，進(jìn)程需要執行下列操作：

（1） 測試控制該資源的信號量。

（2） 若此信號量的值為正，則允許進(jìn)行使用該資源。進(jìn)程將進(jìn)號量減1。

（3） 若此信號量為0，則該資源目前不可用，進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直至信號量值大于0，進(jìn)程被喚醒，轉入步驟（1）。

（4） 當進(jìn)程不再使用一個(gè)信號量控制的資源時(shí)，信號量值加1。如果此時(shí)有進(jìn)程正在睡眠等待此信號量，則喚醒此進(jìn)程。

維護信號量狀態(tài)的是Linux內核操作系統而不是用戶(hù)進(jìn)程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h中看到內核用來(lái)維護信號量狀態(tài)的各個(gè)結構的定義。信號量是一個(gè)數據集合，用戶(hù)可以單獨使用這一集合的每個(gè)元素。要調用的第一個(gè)函數是semget，用以獲得一個(gè)信號量ID。

#include sys/types.h>

#include sys/ipc.h>

#include sys/sem.h>

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

key是前面講過(guò)的IPC結構的關(guān)鍵字，它將來(lái)決定是創(chuàng )建新的信號量集合，還是引用一個(gè)現有的信號量集合。nsems是該集合中的信號量數。如果是創(chuàng )建新集合（一般在服務(wù)器中），則必須指定nsems；如果是引用一個(gè)現有的信號量集合（一般在客戶(hù)機中）則將nsems指定為0。

semctl函數用來(lái)對信號量進(jìn)行操作。

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

不同的操作是通過(guò)cmd參數來(lái)實(shí)現的，在頭文件sem.h中定義了7種不同的操作，實(shí)際編程時(shí)可以參照使用。

semop函數自動(dòng)執行信號量集合上的操作數組。

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

semoparray是一個(gè)指針，它指向一個(gè)信號量操作數組。nops規定該數組中操作的數量。

下面，我們看一個(gè)具體的例子，它創(chuàng )建一個(gè)特定的IPC結構的關(guān)鍵字和一個(gè)信號量，建立此信號量的索引，修改索引指向的信號量的值，最后我們清除信號量。

5.套接口

套接口（socket）編程是實(shí)現Linux系統和其他大多數操作系統中進(jìn)程間通信的主要方式之一。我們熟知的WWW服務(wù)、FTP服務(wù)、TELNET服務(wù)等都是基于套接口編程來(lái)實(shí)現的。除了在異地的計算機進(jìn)程間以外，套接口同樣適用于本地同一臺計算機內部的進(jìn)程間通信。