Linux下的進程間通信-詳解

 詳細的講述進程間通信在這里絕對是不可能的事情，而且筆者很難有信心說自己對這一部分內容的認識達到了什么樣的地步，所以在這一節的開頭首先向大家推薦著 名作者Richard Stevens的著名作品：《Advanced Programming in the UNIX Environment》，它的中文譯本《UNIX環境高級編程》已有機械工業出版社出版，原文精彩，譯文同樣地道，如果你的確對在Linux下編程有濃 厚的興趣，那么趕緊將這本書擺到你的書桌上或計算機旁邊來。說這么多實在是難抑心中的景仰之情，言歸正傳，在這一節里，我們將介紹進程間通信最最初步和最 最簡單的一些知識和概念。
　　 首先，進程間通信至少可以通過傳送打開文件來實現， 不同的進程通過一個或多個文件來傳遞信息，事實上，在很多應用系統里，都使用了這種方法。但一般說來， 進程間通信（IPC：InterProcess Communication）不包括這種似乎比較低級的通信方法。Unix系統中實現進程間通信的方法很多，而且不幸的是，極少方法能在所有的Unix系 統中進行移植（唯一一種是半雙工的管道，這也是最原始的一種通信方式）。而Linux作為一種新興的操作系統，幾乎支持所有的Unix下常用的進程間通信 方法：管道、 消息隊列、共享內存、 信號量、套接口等等。下面我們將逐一介紹。

　　 2.3.1 管道
　　 管道是進程間通信中最古老的方式，它包括 無名管道和 有名管道兩種，前者 用於父進程和子進程間的通信，后者用於 運行於同一台機器上的任意兩個進程間的通信。
　　 無名管道由pipe（）函數創建：
　　 #include <unistd.h>
　　 int pipe(int filedis[2])；
　　 參數filedis返回兩個文件描述符：filedes[0]為讀而打開，filedes[1]為寫而打開。filedes[1]的輸出是filedes[0]的輸入。下面的例子示范了如何在父進程和子進程間實現通信。

#define INPUT 0
#define OUTPUT 1

void main() {
int file_descriptors[2];
/*定義子進程號 */
pid_t pid;
char buf[256];
int returned_count;
/*創建無名管道*/
pipe(file_descriptors);
/*創建子進程*/
if((pid = fork()) == -1) {
printf("Error in fork/n");
exit(1);
}
/*執行子進程*/
if(pid == 0) {
printf("in the spawned (child) process.../n");
/*子進程向父進程寫數據，關閉管道的讀端*/
close(file_descriptors[INPUT]);
write(file_descriptors[OUTPUT], "test data", strlen("test data"));
exit(0);
} else {
/*執行父進程*/
printf("in the spawning (parent) process.../n");
/*父進程從管道讀取子進程寫的數據，關閉管道的寫端*/
close(file_descriptors[OUTPUT]);
returned_count = read(file_descriptors[INPUT], buf, sizeof(buf));
printf("%d bytes of data received from spawned process: %s/n",
returned_count, buf);
}
}
　　 在Linux系統下，有名管道可由兩種方式創建： 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等來對它進行操作。下面即是一個簡單的例子，假設我們已經創建了一個名為myfifo的有名管道。
　 /* 進程一：讀有名管道*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main() {
FILE * in_file;
int count = 1;
char buf[80];
in_file = fopen("mypipe", "r");
if (in_file == NULL) {
printf("Error in fdopen./n");
exit(1);
}
while ((count = fread(buf, 1, 80, in_file)) > 0)
printf("received from pipe: %s/n", buf);
fclose(in_file);
}
　 /* 進程二：寫有名管道*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main() {
FILE * out_file;
int count = 1;
char buf[80];
out_file = fopen("mypipe", "w");
if (out_file == NULL) {
printf("Error opening pipe.");
exit(1);
}
sprintf(buf,"this is test data for the named pipe example/n");
fwrite(buf, 1, 80, out_file);
fclose(out_file);
}

　　 2.3.2 消息隊列
　　 消息隊列用於運行於同一台機器上的進程間通信，它和管道很相似，是一個在系統內核中用來保存消息的隊列，它在系統內核中是以消息鏈表的形式出現。消息鏈表中節點的結構用msg聲明。
事實上，它是一種 正逐漸被淘汰的通信方式，我們可以用流管道或者套接口的方式來取代它，所以，我們對此方式也不再解釋，也建議讀者忽略這種方式。

　　 2.3.3 共享內存
　 　 共享內存是運行在同一台機器上的 進程間通信最快的方式，因為數據不需要在不同的進程間復制。通常由一個進程創建一塊共享內存區，其余進程對這塊內存區進行 讀寫。得到共享內存有兩種方式： 映射/dev/mem設備和 內存映像文件。 前一種方式不給系統帶來額外的開銷，但在現實中並不常用，因為它控制存取的將是 實際的物理內存，在Linux系統下，這只有通過限制Linux系統存取的內存才可以做到，這當然不太實際。常用的方式是通過shmXXX函數族來實現利 用共享內存進行存儲的。
　　 首先要用的函數是shmget，它獲得一個共享存儲標識符。

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

　　　　　 int shmget(key_t key, int size, int flag);
　 　 這個函數有點類似大家熟悉的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IPC結構都有的一個非負整數 的標識符，這樣對一個消息隊列發送消息時只要引用標識符就可以了。 這個標識符是內核由IPC結構的關鍵字得到的，這個關鍵字，就是上面第一個函數的 key。數據類型key_t是在頭文件sys/types.h中定義的，它是一個長整形的數據。在我們后面的章節中，還會碰到這個關鍵字。
　　
     當共享內存創建后，其余進程可以調用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確定連接的地址，函數的返回值即是該進程數據段所連接的實際地址，進程可以對此進程進行讀寫操作。
　 　 使用共享存儲來實現進程間通信的注意點是對數據存取的同步，必須確保當一個進程去讀取數據時，它所想要的數據已經寫好了。通常， 信號量被要來實現對共享存 儲數據存取的同步，另外， 可以通過使用shmctl函數設置共享存儲內存的某些標志位如 SHM_LOCK、SHM_UNLOCK 等來實現。

　　 2.3.4 信號量
　　 信號量又稱為信號燈，它是用來協調不同進程間的數據對象的，而最主要的應用是前一節的共享內存方式的進程間通信。本質上， 信號量是一個計數器，它用來記錄對某個資源（如共享內存）的存取狀況。一般說來，為了獲得共享資源，進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，則允許進行使用該資源。 進程將信號量減1。
　　 （3） 若此信號量為0，則該資源目前不可用，進程進入睡眠狀態，直至信號量值大於0，進程被喚醒，轉入步驟（1）。
　　 （4） 當進程不再使用一個信號量控制的資源時，信號量值加1。如果此時有進程正在睡眠等待此信號量，則喚醒此進程。
　 　 維護信號量狀態的是Linux內核操作系統而不是用戶進程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include　/linux　/sem.h 中看到內核用來維護信號量狀態的各個結構的定義。 信號量是一個數據集合，用戶可以單獨使用這一集合的每個元素。要調用的第一個函數是semget，用以獲 得一個信號量ID。

struct sem {
  short sempid;/* pid of last operaton */
  ushort semval;/* current value */
  ushort semncnt;/* num procs awaiting increase in semval */
  ushort semzcnt;/* num procs awaiting semval = 0 */
}

　　 #include <sys/types.h>
　　 #include <sys/ipc.h>
　　 #include <sys/sem.h>
　　 int semget(key_t key, int nsems, int flag);

　  key是前面講過的IPC結構的關鍵字，flag將來決定是創建新的信號量集合，還是引用一個現有的信號量集合。nsems是該集合中的信號量數。如果是創建新 集合（一般在服務器中），則必須指定nsems；如果是引用一個現有的信號量集合（一般在客戶機中）則將nsems指定為0。

　　 semctl函數用來對信號量進行操作。
　　 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
　　 不同的操作是通過cmd參數來實現的，在頭文件sem.h中定義了7種不同的操作，實際編程時可以參照使用。
　　
     semop函數 自動執行信號量集合上的操作數組。
　　 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);
　　 semoparray是一個指針，它指向一個信號量操作數組。nops規定該數組中操作的數量。

　　 下面，我們看一個具體的例子，它創建一個特定的IPC結構的關鍵字和一個信號量，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。在下面的代碼中，函數ftok生成我們上文所說的唯一的IPC關鍵字。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
void main() {
key_t unique_key; /* 定義一個IPC關鍵字*/
int id;
struct sembuf lock_it;
union semun options;
int i;

unique_key = ftok(".", 'a'); /* 生成關鍵字，字符'a'是一個隨機種子*/
/* 創建一個新的信號量集合*/
id = semget(unique_key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
printf("semaphore id=%d/n", id);
options.val = 1; /*設置變量值*/
semctl(id, 0, SETVAL, options); /*設置索引0的信號量*/

/*打印出信號量的值*/
i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
printf("value of semaphore at index 0 is %d/n", i);

/*下面重新設置信號量*/
lock_it.sem_num = 0; /*設置哪個信號量*/
lock_it.sem_op = -1; /*定義操作*/
lock_it.sem_flg = IPC_NOWAIT; /*操作方式*/
if (semop(id, &lock_it, 1) == -1) {
printf("can not lock semaphore./n");
exit(1);
}

i = semctl(id, 0, GETVAL, 0);
printf("value of semaphore at index 0 is %d/n", i);

/*清除信號量*/
semctl(id, 0, IPC_RMID, 0);
}

semget()

     可以使用系統調用semget()創建一個新的信號量集，或者存取一個已經存在的信號量集：

系統調用：semget();
原型：intsemget(key_t key,int nsems,int semflg);
返回值：如果成功，則返回信號量集的IPC標識符。如果失敗，則返回-1：errno=EACCESS(沒有權限)
EEXIST(信號量集已經存在，無法創建)
EIDRM(信號量集已經刪除)
ENOENT(信號量集不存在，同時沒有使用IPC_CREAT)
ENOMEM(沒有足夠的內存創建新的信號量集)
ENOSPC(超出限制)

    系統調用semget()的第一個參數是關鍵字值（一般是由系統調用ftok()返回的）。系統內核將此值和系統中存在的其他的信號量集的關鍵字值進行比較。打開和存取操作與參數semflg中的內容相關。IPC_CREAT如果信號量集在系統內核中不存在，則創建信號量集。IPC_EXCL當和 IPC_CREAT一同使用時，如果信號量集已經存在，則調用失敗。如果單獨使用IPC_CREAT，則semget()要么返回新創建的信號量集的標識符，要么返回系統中已經存在的同樣的關鍵字值的信號量的標識符。如果IPC_EXCL和IPC_CREAT一同使用，則要么返回新創建的信號量集的標識符，要么返回-1。IPC_EXCL單獨使用沒有意義。參數nsems指出了一個新的信號量集中應該創建的信號量的個數。信號量集中最多的信號量的個數是在linux/sem.h中定義的：

#defineSEMMSL32/*<=512maxnumofsemaphoresperid*/
下面是一個打開和創建信號量集的程序：
intopen_semaphore_set(key_t keyval,int numsems)
{
intsid;
if(!numsems)
return(-1);
if((sid=semget(mykey,numsems,IPC_CREAT|0660))==-1)
{
return(-1);
}
return(sid);
}
};

==============================================================

semop()

系統調用：semop();
調用原型：int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);
返回值：0，如果成功。-1，如果失敗：errno=E2BIG(nsops大於最大的ops數目)
EACCESS(權限不夠)
EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT，但操作不能繼續進行)
EFAULT(sops指向的地址無效)
EIDRM(信號量集已經刪除)
EINTR(當睡眠時接收到其他信號)
EINVAL(信號量集不存在,或者semid無效)
ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但無足夠的內存創建所需的數據結構)
ERANGE(信號量值超出范圍)

    第一個參數是關鍵字值。第二個參數是指向將要操作的數組的指針。第三個參數是數組中的操作的個數。參數sops指向由sembuf組成的數組。此數組是在linux/sem.h中定義的：

/*semop systemcall takes an array of these*/
structsembuf{
ushortsem_num;/*semaphore index in array*/
shortsem_op;/*semaphore operation*/
shortsem_flg;/*operation flags*/
sem_num將要處理的信號量的個數。
sem_op要執行的操作。
sem_flg操作標志。

    如果sem_op是負數，那么信號量將減去它的值。這和信號量控制的資源有關。如果沒有使用IPC_NOWAIT，那么調用進程將進入睡眠狀態，直到信號量控制的資源可以使用為止。如果sem_op是正數，則信號量加上它的值。這也就是進程釋放信號量控制的資源。最后，如果sem_op是0，那么調用進程將調用sleep()，直到信號量的值為0。這在一個進程等待完全空閑的資源時使用。

===============================================================

semctl()

系統調用：semctl();
原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semunarg);
返回值：如果成功，則為一個正數。
如果失敗，則為-1：errno=EACCESS(權限不夠)
EFAULT(arg指向的地址無效)
EIDRM(信號量集已經刪除)
EINVAL(信號量集不存在，或者semid無效)
EPERM(EUID沒有cmd的權利)
ERANGE(信號量值超出范圍)

    系統調用semctl用來執行在信號量集上的控制操作。這和在消息隊列中的系統調用msgctl是十分相似的。但這兩個系統調用的參數略有不同。因為信號量一般是作為一個信號量集使用的，而不是一個單獨的信號量。所以在信號量集的操作中，不但要知道IPC關鍵字值，也要知道信號量集中的具體的信號量。這兩個系統調用都使用了參數cmd，它用來指出要操作的具體命令。兩個系統調用中的最后一個參數也不一樣。在系統調用msgctl中，最后一個參數是指向內核中使用的數據結構的指針。我們使用此數據結構來取得有關消息隊列的一些信息，以及設置或者改變隊列的存取權限和使用者。但在信號量中支持額外的可選的命令，這樣就要求有一個更為復雜的數據結構。
系統調用semctl()的第一個參數是關鍵字值。第二個參數是信號量數目。

    參數cmd中可以使用的命令如下：
    ·IPC_STAT讀取一個信號量集的數據結構semid_ds，並將其存儲在semun中的buf參數中。
    ·IPC_SET設置信號量集的數據結構semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf參數。
    ·IPC_RMID將信號量集從內存中刪除。
    ·GETALL用於讀取信號量集中的所有信號量的值。
    ·GETNCNT返回正在等待資源的進程數目。
    ·GETPID返回最后一個執行semop操作的進程的PID。
    ·GETVAL返回信號量集中的一個單個的信號量的值。
    ·GETZCNT返回這在等待完全空閑的資源的進程數目。
    ·SETALL設置信號量集中的所有的信號量的值。
    ·SETVAL設置信號量集中的一個單獨的信號量的值。

    參數arg代表一個semun的實例。semun是在linux/sem.h中定義的：
/*arg for semctl systemcalls.*/
unionsemun{
intval;/*value for SETVAL*/
structsemid_ds*buf;/*buffer for IPC_STAT&IPC_SET*/
ushort*array;/*array for GETALL&SETALL*/
structseminfo*__buf;/*buffer for IPC_INFO*/
void*__pad;

    val當執行SETVAL命令時使用。buf在IPC_STAT/IPC_SET命令中使用。代表了內核中使用的信號量的數據結構。array在使用GETALL/SETALL命令時使用的指針。
    下面的程序返回信號量的值。當使用GETVAL命令時，調用中的最后一個參數被忽略：

intget_sem_val(intsid,intsemnum)
{
return(semctl(sid,semnum,GETVAL,0));
}

    下面是一個實際應用的例子：

#defineMAX_PRINTERS5
printer_usage()
{
int x;
for(x=0;x<MAX_PRINTERS;x++)
printf("Printer%d:%d/n/r",x,get_sem_val(sid,x));
}

    下面的程序可以用來初始化一個新的信號量值：

void init_semaphore(int sid,int semnum,int initval)
{
union semunsemopts;
semopts.val=initval;
semctl(sid,semnum,SETVAL,semopts);
}

    注意系統調用semctl中的最后一個參數是一個聯合類型的副本，而不是一個指向聯合類型的指針。

 

　　 2.3.5 套接口
　 　 套接口（socket）編程是實現Linux系統和其他大多數操作系統中進程間通信的主要方式之一。我們熟知的WWW服務、FTP服務、TELNET服務 等都是基於套接口編程來實現的。除了在異地的計算機進程間以外，套接口同樣適用於本地同一台計算機內部的進程間通信。關於套接口的經典教材同樣是 Richard Stevens編著的《Unix網絡編程：聯網的API和套接字》，清華大學出版社出版了該書的影印版。它同樣是Linux程序員的必備書籍之一。
　 　 關於這一部分的內容，可以參照本文作者的另一篇文章《設計自己的網絡螞蟻》，那里由常用的幾個套接口函數的介紹和示例程序。這一部分或許是Linux進程 間通信編程中最須關注和最吸引人的一部分，畢竟，Internet 正在我們身邊以不可思議的速度發展着，如果一個程序員在設計編寫他下一個程序的時候，根本沒有考慮到網絡，考慮到Internet，那么，可以說，他的設 計很難成功。

3 Linux的進程和Win32的進程/線程比較
　　 熟悉WIN32編程的人一定知道，WIN32的進程管理方式與Linux上有着很大區別，在UNIX里，只有進程的概念，但在WIN32里卻還有一個"線程"的概念，那么Linux和WIN32在這里究竟有着什么區別呢？
　 　 WIN32里的進程/線程是繼承自OS/2的。在WIN32里，"進程"是指一個程序，而"線程"是一個"進程"里的一個執行"線索"。從核心上講， WIN32的多進程與Linux並無多大的區別，在WIN32里的線程才相當於Linux的進程，是一個實際正在執行的代碼。但是，WIN32里同一個進 程里各個線程之間是共享數據段的。這才是與Linux的進程最大的不同。
　　 下面這段程序顯示了WIN32下一個進程如何啟動一個線程。

int g;
DWORD WINAPI ChildProcess( LPVOID lpParameter ){
int i;
for ( i = 1; i <1000; i ++) {
g ++;
printf( "This is Child Thread: %d/n", g );
}
ExitThread( 0 );
};

void main()
{
int threadID;
int i;
g = 0;
CreateThread( NULL, 0, ChildProcess, NULL, 0, &threadID );
for ( i = 1; i <1000; i ++) {
g ++;
printf( "This is Parent Thread: %d/n", g );
}
}

　 　 在WIN32下，使用CreateThread函數創建線程，與Linux下創建進程不同，WIN32線程不是從創建處開始運行的，而是由 CreateThread指定一個函數，線程就從那個函數處開始運行。此程序同前面的UNIX程序一樣，由兩個線程各打印1000條信息。 threadID是子線程的線程號，另外，全局變量g是子線程與父線程共享的，這就是與Linux最大的不同之處。大家可以看出，WIN32的進程/線程 要比Linux復雜，在Linux要實現類似WIN32的線程並不難，只要fork以后，讓子進程調用ThreadProc函數，並且為全局變量開設共享 數據區就行了，但在WIN32下就無法實現類似fork的功能了。所以現在WIN32下的C語言編譯器所提供的庫函數雖然已經能兼容大多數 Linux/UNIX的庫函數，但卻仍無法實現fork。
　　 對於多任務系統，共享數據區是必要的，但也是一個容易引起混亂的問題，在WIN32下，一個程序員很容易忘記線程之間的數據是共享的這一情況，一個線程修 改過一個變量后，另一個線程卻又修改了它，結果引起程序出問題。但在Linux下，由於變量本來並不共享，而由程序員來顯式地指定要共享的數據，使程序變 得更清晰與安全。
至於WIN32的"進程"概念，其含義則是"應用程序"，也就是相當於UNIX下的exec了。
　　 Linux也有自己的多線程函數pthread，它既不同於Linux的進程，也不同於WIN32下的進程，關於pthread的介紹和如何在Linux環境下編寫多線程程序我們將在另一篇文章《Linux下的多線程編程》中講述。