进程通信IPC

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引言：进程通信！！

进程通信

IPC

IPC（Inner-Process Communication 进程间通信）

进程之间协作完成任务，必然涉及到其进程间的通信

为什么要进程间通信？

​ 多进程之间的空间是独立的，如果需要操作共享数据，就涉及到了通信；进程通信就是为了协作操作共享数据的（和进程同步的目的也差不多）

下面我们先从为什么需要通信开始讲起

进程的空间是完全独立的

先引入一个问题

OS为什么要将进程设计为独立的？

进程空间

1、虚拟内存

就是程序运行时提供的内存空间，进程运行的空间都是虚拟内存空间（此虚拟内存空间指，OS在物理内存上营造出来的空间）

2、虚拟地址

虚拟空间有自己的虚拟地址，并不和真实的物理地址一一对应

注意：CPU从PC取指令运行，PC存放的地址为虚拟地址，而不是真实地址

（之后会进行虚拟地址与真实地址的转换，将数据从真实地址中取出）

3、 进程空间中虚拟地址的编码范围

注意：每个进程空间中的虚拟地址范围都是一样的！

对于32位OS来说，虚拟内存的虚拟地址的编码范围为：

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4G-1: 1111 1111...1111 1111
4G-2: 1111 1111...1111 1110
		...
1: 0000 0000 ... 0000 0001
0: 0000 0000 ... 0000 0000

注意：虚拟地址范围如此大，但是对应到物理内存，只有几M而已！

实际上，OS对进程的虚拟地址做了限制，只使用了其中一部分

4、虚拟内存都一样，进程间会不会相互干扰？

不会，类似于一楼编号1-20、二楼编号1-20,，1楼对1楼的操作，不会影响到二楼（这也是虚拟内存的意义）

5、进程间相互独立空间的好处与坏处

好处：

​ 可以保证安全，防止病毒的侵入（病毒也是一个进程，他和我的其他进程不共享数据，也就无法入侵）

缺点：

​ 增加了共享信息的难度，所以提出了IPC

6、广义与狭义

广义上来说，只要能够实现进程间通信的交换方式就是进程间通信

比如：A进程 -> 文件 -> B进程AB进程通过文件来交换数据、再比如AB进程通过数据库来进行数据交换

但是我们研究的都是OS来实现的狭义上的进程通信

管道

管道分为两种：无名管道、有名管道

无名管道

内核会开辟一个“管道”，通信的进程可以共享这个管道，从而实现通信

什么是管道？

其实管道就是OS内核在自己的物理内存空间开辟的一段缓存空间，并且提供对这块缓存区域对应的API，方便进程进行读写

如何操作管道？

通过文件描述符及相关write、read等IO函数对文件进行操作

（这里我们也能知道，其实管道也是一个文件，因为有文件描述符）

为什么要叫无名管道？

管道其实也是一个文件，但是这个文件比较特殊，因为它没有文件名，所以叫无名管道

无名管道的实现原理

函数原型：

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#include <unistd.h>
int pipe(int pipe[2]); // 等同于 int pipe(int *pipe)
// 只不过这样写可以让你知道要传几个参数

功能就是创建一个用于有亲缘关系的进程通信的管道

（注意：管道只能满足亲缘关系进程通信，例如父子、父孙进程之间的通信！）

有两个参数：

  • 元素[0]：放读管道的读文件描述符
  • 元素[1]：放写管道的写文件描述符

（这里的读写文件描述符是独立的，即并不是open函数得到的，创建无名管道时就会有它的读写文件描述符）

为什么无名管道只能用于亲缘进程间通信？

因为无名管道没有文件名，因此没有办法通过open打开文件，得到文件描述符，所以只有一种办法：

  1. 就是父进程先调用pipe函数创建出管道，得到无名管道的文件描述符
  2. 然后fork出子进程，让子进程通过继承父进程打开文件描述符，从而父子间操作同一个管道，进行通信

无名管道示意图

注意：

  1. 管道创建失败返回 -1，成功返回一个大于0的数
  2. 读管道时，如果管道没有数据，那么读操作会休眠（即阻塞）
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> // 使用pipe()
#include <strings.h> // 使用了bzero()

void print_error(char *str){
    perror(str);
    exit(-1);
}

int main(){
    int ret = 0;
    int pipefd[2] = {0};// 用来存放无名管道的文件描述符
    // 赋值为0，是为了清除一下以前的数据
    
    ret = pipe(pipefd);
    printf("%d, %d \n", pipefd[0], pipefd[1]);
	// 显示一下文件描述符是多少
    // 其实猜也能猜到，是3, 4（因为0,1,2已经被占用了）
    if(ret == -1){// 返回-1 代表管道创建失败
        print_error("pipe_create_fail");
    }   
    ret = fork();// 创建一个进程
    if(ret > 0){// 父进程
        while(1){
            write(pipefd[1], "hello", 5);
            // 三个参数，写端的文件描述符，写的内容，内容的长度
            sleep(2);
            // 每两秒写一次
        }
    }else if(ret == 0){// 子进程
        while(1){
            char buf[30] = {0};
            bzero(buf, sizeof(buf));// 将缓存区清空
            read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
            printf("child process read: %s \n",buf);
        }
    }   
}

运行结果如下：

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[root@master learnIPC]# ./a.out 
3, 4 
child process read: hello 
child process read: hello 
child process read: hello
...

无名管道是单向还是双向通信？

是单向通信的，只有一个写段，一个读端；

如果你用两个线程分别去读写，那么写线程会立即读到自己的写的内容

如何实现双向通信？

可以使用两个无名管道

无名管道的缺点

  • 无法用于无亲缘关系的进程
  • 不适合用于网状通信（因为会导致文件描述符变的异常复杂）（只适合单向双方通信）

有名管道

什么是有名管道

对比无名管道就是有了名字，即有了文件名的管道文件

这意味着我们可以通过名字open来打开这个文件，得到其文件描述符

有名管道的特点

  1. 能够用于非亲缘进程之间的通信
  2. 读管道时，管道无数据，读操作会阻塞
  3. 当进程写一个所有读端都被关闭的管道，进程会被返回SIGPIPE信号（如果不想管道被该信号终止，要忽略这个信号）

有名管道的创建步骤

  1. 使用mkfifo创建有名管道
  2. open打开有名管道
  3. read/write读写管道进行通信

函数原型

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#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

传入两个参数：

  • pathname：文件路径
  • mode：被创建的原始权限（一般为0664）必须包含读写权限

注意！有名管道也是单向通信，如果要实现双向通信，也需要使用两个有名管道

System V IPC提供了新的通信方式

什么是System V IPC？

管道是Unix提供的很原始的一种进程间通信方式，后来升级到版本5后，引入了新的进程通信方式：

  • 消息队列
  • 信号量
  • 共享内存

所以System V IPC指的就是这三种通信方式

System V 的通信原理

与管道的通信方式不同（管道的通信方式类似于文件操作）

System V IPC不再以文件的形式存在，而是通过一个标识符（完全可以认为这个标识符就是文件描述符的替代品）

消息队列

消息队列是什么？

消息队列就是一个用于存放消息的双向链表

通信的进程通过共享操作同一个消息队列，就能实现通信

消息是如何存放在消息队列中？

链表的每一个结点就是一个消息，结点应该有两部分内容：

  • 消息编号
  • 消息正文
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struct msgbuf{
    long mtype; // 消息编号
    char mtext[msgsz]; //消息内容
}

消息队列的作用

消息队列很好的实现了网状通信！

（具体的创建过程等内容，过于硬件，不再介绍）

共享内存

什么是共享内存？

共享内存就是OS在内存区域开辟的一大段内存空间

适合于什么场景？

适合于传输大量的数据（如果用管道或者消息队列，将会很慢）是最快的IPC方式

如果要让很多个进程共享同一个空间，要加保护措施

实现方式

  1. 调用API，让OS内核在物理内存开辟出一大段空间
  2. 让进程与开辟的缓存建立映射关系

共享内存与管道的区别：

  1. 管道小，共享内存大
  2. 管道慢（管道每次调用都要进行系统调用），共享内存快
  3. 管道不需要自己管理，其会自己阻塞；而共享内存需要我们自己管理

信号量

信号量是一个锁机制，为什么会归类到IPC内？

因为其进行锁的原理，就是通知各个进程什么时候该做什么，所以也算是一种通信方式（只不过其通信的内容仅仅只是事情发生了没有，而不是事情是什么）

Socket

socket也可以实现进程间通信（Socket另外单独来讲）

信号

什么是信号？

​ 信号是一条小的消息，由内核或者其它进程生成并发送至目标进程，目标进程可以根据该信号来做出响应。

​ 信号可以由进程或者内核发出，例如：

  • 用户在Bash界面通过键盘对正在执行的进程输入Ctrl+C、Ctrl+\等信号命令，或者执行kill命令发送信号。
  • 进程执行出错，例如访问了一个非法的地址、除0运算，或者硬件发生故障，就会由内核向进程发送一个信号。
  • 进程执行kill命令向目标进程发送信号。

信号的传递步骤：

传送一个信号到目的进程主要有两个步骤：

  • 发送信号：内核通过更新目标进程上下文的某个状态，传递一个信号给目标进程
  • 接收信号：目标进程会被内核强制以某种方式对信号的发送做出反应，它就会接收到信号。（如果程序没有针对这种信号指定其处理方式，就会采用默认的处理策略，例如中止进程、忽略）

一个发出但没有接收的信号称之为待处理信号，在任何时刻，同一种类型的信号最多只会有一个待处理的信号

发送信号的方式

  1. 通过操作系统的bin/kill程序，向程序发送信号

例如：kill -9 pid向进程发送信号值为9的信号

  1. 用键盘发出信号

在命令行界面中，能有一个前台任务和多个后台任务

  1. kill函数发送信号

kill函数的定义位于头文件signal.h中：

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int kill(pid_t pid, int sig);
/*
如果pid > 0，该函数会向PID为pid的进程发送信号值为sig的信号。
如果pid = 0，该函数会向当前进程隶属的进程组下所有的进程发出信号值为sig的信号，包括这个进程自己。
如果pid < 0，该函数会向进程组ID为-pid下所有的进程发出信号值为sig的信号
*/
  1. alarm函数发送SIGALRM信号

进程可以通过alarm函数向自己发送一个SIGALRM信号，该函数定义于头文件unistd.h中：

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unsigned int alarm(unsigned int secs);
// 传入一个时间参数secs，单位为秒，
// 表示在secs秒后发送一个SIGALRM信号给当前线程