進程間通信的各種模式

• Pipe
• Message Queue
• Shared Memory

管道

還記得咱們最初學 Linux 命令的時候，有下面這樣一行命令：

ps -ef | grep 關(guān)鍵字 | awk '{print $2}' | xargs kill -9

這里面的豎線“|”就是一個管道溺职。它會將前一個命令的輸出隆嗅，作為后一個命令的輸入霍弹。從管道的這個名稱可以看出來谒撼，管道是一種單向傳輸數(shù)據(jù)的機制，它其實是一段緩存熄捍，里面的數(shù)據(jù)只能從一端寫入烛恤，從另一端讀出。如果想互相通信余耽，我們需要創(chuàng)建兩個管道才行棒动。管道分為兩種類型，“|” 表示的管道稱為匿名管道宾添，意思就是這個類型的管道沒有名字船惨，用完了就銷毀了。就像上面那個命令里面的一樣缕陕，豎線代表的管道隨著命令的執(zhí)行自動創(chuàng)建粱锐、自動銷毀。用戶甚至都不知道自己在用管道這種技術(shù)扛邑，就已經(jīng)解決了問題怜浅。所以這也是面試題里面經(jīng)常會問的，到時候千萬別說這是豎線蔬崩，而要回答背后的機制恶座，管道。
另外一種類型是命名管道沥阳。這個類型的管道需要通過 mkfifo 命令顯式地創(chuàng)建跨琳。

mkfifo hellohello

就是這個管道的名稱。管道以文件的形式存在桐罕，這也符合 Linux 里面一切皆文件的原則脉让。這個時候桂敛，我們 ls 一下，可以看到溅潜，這個文件的類型是 p术唬，就是 pipe 的意思。

ls -lprw-r--r-- 1 root root 0 May 21 23:29 hello

接下來滚澜，我們可以往管道里面寫入東西粗仓。例如，寫入一個字符串设捐。

echo "hello world" > hello

這個時候借浊，管道里面的內(nèi)容沒有被讀出，這個命令就是停在這里的挡育，這說明當一個項目組要把它的輸出交接給另一個項目組做輸入巴碗，當沒有交接完畢的時候，前一個項目組是不能撒手不管的即寒。這個時候橡淆，我們就需要重新連接一個終端。在終端中母赵，用下面的命令讀取管道里面的內(nèi)容：

cat < hello hello world

一方面逸爵，我們能夠看到，管道里面的內(nèi)容被讀取出來凹嘲，打印到了終端上师倔；另一方面，echo 那個命令正常退出了周蹭，也即交接完畢趋艘，前一個項目組就完成了使命，可以解散了凶朗。

消息隊列

和管道將信息一股腦兒地從一個進程瓷胧，倒給另一個進程不同，消息隊列有點兒像郵件棚愤，發(fā)送數(shù)據(jù)時搓萧，會分成一個一個獨立的數(shù)據(jù)單元，也就是消息體宛畦，每個消息體都是固定大小的存儲塊瘸洛，在字節(jié)流上不連續(xù)。

消息結(jié)構(gòu)的定義

struct msg_buffer { long mtype; char mtext[1024];};

接下來次和，我們需要創(chuàng)建一個消息隊列反肋，使用 msgget 函數(shù)。這個函數(shù)需要有一個參數(shù) key斯够，這是消息隊列的唯一標識囚玫，應該是唯一的喧锦。如何保持唯一性呢读规？這個還是和文件關(guān)聯(lián)抓督。我們可以指定一個文件，ftok 會根據(jù)這個文件的 inode束亏，生成一個近乎唯一的 key铃在。只要在這個消息隊列的生命周期內(nèi)，這個文件不要被刪除就可以了碍遍。只要不刪除定铜，無論什么時刻，再調(diào)用 ftok怕敬，也會得到同樣的 key揣炕。這種 key 的使用方式在這一章會經(jīng)常遇到，這是因為它們都屬于 System V IPC 進程間通信機制體系中东跪。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>


int main() {
  int messagequeueid;
  key_t key;


  if((key = ftok("/root/messagequeue/messagequeuekey", 1024)) < 0)
  {
      perror("ftok error");
      exit(1);
  }


  printf("Message Queue key: %d.\n", key);


  if ((messagequeueid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
  {
      perror("msgget error");
      exit(1);
  }


  printf("Message queue id: %d.\n", messagequeueid);
}

ipcs -q就能看到上面我們創(chuàng)建的消息隊列對象畸陡。

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0x00288297 0          root       777        0            0 

發(fā)送消息主要調(diào)用 msgsnd 函數(shù)。第一個參數(shù)是 message queue 的 id虽填，第二個參數(shù)是消息的結(jié)構(gòu)體丁恭，第三個參數(shù)是消息的長度，最后一個參數(shù)是 flag斋日。這里 IPC_NOWAIT 表示發(fā)送的時候不阻塞牲览，直接返回。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <getopt.h>
#include <string.h>


struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};


int main(int argc, char *argv[]) {
  int next_option;
  const char* const short_options = "i:t:m:";
  const struct option long_options[] = {
    { "id", 1, NULL, 'i'},
    { "type", 1, NULL, 't'},
    { "message", 1, NULL, 'm'},
    { NULL, 0, NULL, 0 }
  };

  int messagequeueid = -1;
  struct msg_buffer buffer;
  buffer.mtype = -1;
  int len = -1;
  char * message = NULL;
  do {
    next_option = getopt_long (argc, argv, short_options, long_options, NULL);
    switch (next_option)
    {
      case 'i':
        messagequeueid = atoi(optarg);
        break;
      case 't':
        buffer.mtype = atol(optarg);
        break;
      case 'm':
        message = optarg;
        len = strlen(message) + 1;
        if (len > 1024) {
          perror("message too long.");
          exit(1);
        }
        memcpy(buffer.mtext, message, len);
        break;
      default:
        break;
    }
  }while(next_option != -1);


  if(messagequeueid != -1 && buffer.mtype != -1 && len != -1 && message != NULL){
    if(msgsnd(messagequeueid, &buffer, len, IPC_NOWAIT) == -1){
      perror("fail to send message.");
      exit(1);
    }
  } else {
    perror("arguments error");
  }

  return 0;
}

收消息主要調(diào)用 msgrcv 函數(shù)恶守，第一個參數(shù)是 message queue 的 id第献，第二個參數(shù)是消息的結(jié)構(gòu)體，第三個參數(shù)是可接受的最大長度兔港，第四個參數(shù)是消息類型, 最后一個參數(shù)是 flag庸毫，這里 IPC_NOWAIT 表示接收的時候不阻塞，直接返回押框。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <getopt.h>
#include <string.h>


struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};


int main(int argc, char *argv[]) {
  int next_option;
  const char* const short_options = "i:t:";
  const struct option long_options[] = {
    { "id", 1, NULL, 'i'},
    { "type", 1, NULL, 't'},
    { NULL, 0, NULL, 0 }
  };

  int messagequeueid = -1;
  struct msg_buffer buffer;
  long type = -1;
  do {
    next_option = getopt_long (argc, argv, short_options, long_options, NULL);
    switch (next_option)
    {
      case 'i':
        messagequeueid = atoi(optarg);
        break;
      case 't':
        type = atol(optarg);
        break;
      default:
        break;
    }
  }while(next_option != -1);


  if(messagequeueid != -1 && type != -1){
    if(msgrcv(messagequeueid, &buffer, 1024, type, IPC_NOWAIT) == -1){
      perror("fail to recv message.");
      exit(1);
    }
    printf("received message type : %d, text: %s.", buffer.mtype, buffer.mtext);
  } else {
    perror("arguments error");
  }

  return 0;
}

接下來岔绸，我們可以編譯并運行這個發(fā)送程序∠鹕。可以看到盒揉，如果有消息，可以正確地讀到消息兑徘；如果沒有刚盈，則返回沒有消息。

# ./recv -i 0 -t 123
received message type : 123, text: hello world.
# ./recv -i 0 -t 123
fail to recv message.: No message of desired type

共享內(nèi)存

有時候挂脑，項目組之間的溝通需要特別緊密藕漱，而且要分享一些比較大的數(shù)據(jù)欲侮。如果使用郵件，就發(fā)現(xiàn)肋联，一方面郵件的來去不及時威蕉；另外一方面，附件大小也有限制橄仍，所以韧涨，這個時候，我們經(jīng)常采取的方式就是侮繁，把兩個項目組在需要合作的期間虑粥，拉到一個會議室進行合作開發(fā)，這樣大家可以直接交流文檔呀宪哩，架構(gòu)圖呀娩贷，直接在白板上畫或者直接扔給對方，就可以直接看到锁孟”蜃妫可以看出來，共享會議室這種模型罗岖，類似進程間通信的共享內(nèi)存模型涧至。前面咱們講內(nèi)存管理的時候，知道每個進程都有自己獨立的虛擬內(nèi)存空間桑包，不同的進程的虛擬內(nèi)存空間映射到不同的物理內(nèi)存中去南蓬。這個進程訪問 A 地址和另一個進程訪問 A 地址，其實訪問的是不同的物理內(nèi)存地址哑了，對于數(shù)據(jù)的增刪查改互不影響赘方。但是，咱們是不是可以變通一下弱左，拿出一塊虛擬地址空間來窄陡，映射到相同的物理內(nèi)存中。這樣這個進程寫入的東西拆火，另外一個進程馬上就能看到了跳夭，都不需要拷貝來拷貝去，傳來傳去们镜。共享內(nèi)存也是 System V IPC 進程間通信機制體系中的币叹，所以從它使用流程可以看到熟悉的面孔。

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

創(chuàng)建完畢之后模狭，我們可以通過 ipcs 命令查看這個共享內(nèi)存颈抚。

#ipcs ----shmems
------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status           
0x0000162e 65594      root       666        27         0  

接下來，如果一個進程想要訪問這一段共享內(nèi)存嚼鹉，需要將這個內(nèi)存加載到自己的虛擬地址空間的某個位置贩汉，通過 shmat 函數(shù)驱富，就是 attach 的意思。其中 addr 就是要指定 attach 到這個地方匹舞。但是這個地址的設(shè)定難度比較大褐鸥，除非對于內(nèi)存布局非常熟悉，否則可能會 attach 到一個非法地址策菜。所以晶疼，通常的做法是將 addr 設(shè)為 NULL酒贬，讓內(nèi)核選一個合適的地址又憨。返回值就是真正被 attach 的地方。

void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);

如果共享內(nèi)存使用完畢锭吨，可以通過 shmdt 解除綁定蠢莺，然后通過 shmctl，將 cmd 設(shè)置為 IPC_RMID零如，從而刪除這個共享內(nèi)存對象躏将。

int shmdt(void *addr); int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shm_server.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>

#define SHMSZ     27

main()
{
    char c;
    int shmid;
    key_t key;
    char *shm, *s;

    /*
     * We'll name our shared memory segment
     * "5678".
     */
    key = 5678;

    /*
     * Create the segment.
     */
    if ((shmid = shmget(key, SHMSZ, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    /*
     * Now we attach the segment to our data space.
     */
    if ((shm = shmat(shmid, NULL, 0)) == (char *) -1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

    /*
     * Now put some things into the memory for the
     * other process to read.
     */
    s = shm;

    for (c = 'a'; c <= 'z'; c++)
        *s++ = c;
    *s = NULL;

    /*
     * Finally, we wait until the other process
     * changes the first character of our memory
     * to '*', indicating that it has read what
     * we put there.
     */
    while (*shm != '*')
        sleep(1);

    exit(0);
}

shm_client.c

/*
 * shm-client - client program to demonstrate shared memory.
 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>

#define SHMSZ     27

main()
{
    int shmid;
    key_t key;
    char *shm, *s;

    /*
     * We need to get the segment named
     * "5678", created by the server.
     */
    key = 5678;

    /*
     * Locate the segment.
     */
    if ((shmid = shmget(key, SHMSZ, 0666)) < 0) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    /*
     * Now we attach the segment to our data space.
     */
    if ((shm = shmat(shmid, NULL, 0)) == (char *) -1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

    /*
     * Now read what the server put in the memory.
     */
    for (s = shm; *s != NULL; s++)
        putchar(*s);
    putchar('\n');

    /*
     * Finally, change the first character of the
     * segment to '*', indicating we have read
     * the segment.
     */
    *shm = '*';

    exit(0);
}

test:

./shm_server
./shm_client 
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz