引子 進程通信的方式
△信號通信
△管道通信
△消息隊列
△共享存儲區
一、信號通信
1.什么是信號
（1）信號是Linux進程之間一種重要的通信機制；
（2）信號的作用是為了通知進程某個時間已經發生；
（3）信號的發出是及時的，但是信號的響應可能會有延后，收到信號的進程在當前執行處設置斷點，然后立即轉為執行信號處理函數，執行結束后，會回到斷點，繼續執行之前的操作，這一點類似中斷機制；
（4）信號機制其實是在軟件層次上對中斷機制的一種模擬，一個進程收到信號和收到中斷請求可以說是一樣的；
（5）中斷和信號的區別是，前者運行在核心態（系統），后者運行在用戶態，中斷的響應比較及時，而信號的相應一般會有延遲；
（6）信號的發出者可以是進程、系統、硬件。
2.Linux下的信號
在終端輸入指令“kill -l”可以查看62個信號（沒有編號32和33）。SIGUSR1和SIGUSR2是用戶可以自定義的信號，較為常用。
3.Linux下使用信號機制
（1）“ctrl+c”殺死一個進程：摁下“ctrl+c”會產生信號SIGINT，進程接收到SIGINT信號后，會結束進程。
（2）“ctrl+z”掛起一個進程：摁下“ctrl+c”會產生信號SIGSTP，進程接收到SIGSTP信號后，會掛起進程。
（3）“kill -9”殺死一個進程：在終端輸入“kill -9”后回車，會產生信號SIGKILL，進程收到SIGKILL信號后，會強制結束進程。
4.signal()函數
signal()函數的作用是為指定的信號注冊處理函數，函數格式是
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
sighandler的定義是
typedef void (*sighandler_t)(int);
參數signum是指定信號的標號，handler是處理函數的函數名。
注意：
①當handler=1時，進程將忽略（屏蔽）signum所示的信號，不會對信號做出響應；
②當handler=0（默認值）時，進程在收到signum所示的信號后會立即終止自己，類似於“ctrl+c”；
③當handler為大於1的正整數，即一個函數名稱時，進程在接收到signum所示的函數后會執行響應的函數。
5.kill()函數
kill()函數的作用是向指定的進程發送信號，函數格式是
int kill(int pid, int sig);
參數pid是進程號，sig是要發送的軟中斷信號。
6.一個信號通信的實例
編寫一段代碼，創建一個子進程。程序開始運行時，處於阻塞等待狀態。在鍵盤上摁下“ctrl+c”后，父進程打印“Parent process：Transmitted signal to my subprocess”，然后子進程打印“Subprocess：Got the signal from my parent process”，然后退出程序。
1 //文件名稱為test2.c 2 #include <stdio.h> 3 #include <stdlib.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include <signal.h> 6 7 int waitFlag = 0; 8 9 void stopWaiting(); 10 void waitForSignal(); 11 12 int main() 13 { 14 int pid; //子進程ID號 15 16 pid = fork(); //創建子進程 17 if(pid == -1) //進程創建失敗 18 { 19 exit(1); 20 } 21 if(pid != 0) //父進程中執行 22 { 23 signal(SIGINT, stopWaiting); //為SIGINT信號重新注冊處理函數 24 waitForSignal(); //進入等待函數，將父進程阻塞，等待SIGINT信號的到來 25 printf("Parent process：Transmitted signal to my subprocess\n"); //等待結束后，打印提示信息 26 kill(pid, SIGUSR1); //向子進程附送用戶自定義信號 27 } 28 else //子進程中執行 29 { 30 signal(SIGUSR1, stopWaiting); //為SIGUSR1信號注冊處理函數 31 waitForSignal(); //進入等待函數，將子進程阻塞，等待父進程發送SIGUSR1信號 32 printf("Subprocess：Got the signal from my parent process\n"); //等待結束后，打印提示信息 33 } 34 35 return 0; 36 } 37 38 void stopWaiting() 39 { 40 waitFlag = 0; //將等待標志清零 41 } 42 43 void waitForSignal() 44 { 45 waitFlag = 1; //置數等待標志 46 while(waitFlag == 1); //將程序阻塞在此處 47 }
運行結果如下：
摁下“ctrl+c”之后，僅打印了父進程提示語句，而子進程提示語句卻沒有打印，這是為什么呢？因為摁下“ctrl+c”后，信號SIGINT會向所有的進程發送，所以子進程也收到了SIGINT信號，但是在子進程中卻沒有對SIGINT函數進行重新注冊，所以子進程仍然認為“ctrl+c”摁下后會退出進程。所以導致子進程的提示信息沒有正常打印。我們可以在子進程中對SIGINT函數進行重新注冊，比如將它忽略，這樣就可以解決問題了。
新的代碼如下：
1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <signal.h> 5 6 int waitFlag = 0; 7 8 void stopWaiting(); 9 void waitForSignal(); 10 11 int main() 12 { 13 int pid; //子進程ID號 14 15 pid = fork(); //創建子進程 16 if(pid == -1) //進程創建失敗 17 { 18 exit(1); 19 } 20 if(pid != 0) //父進程中執行 21 { 22 signal(SIGINT, stopWaiting); //為SIGINT信號重新注冊處理函數 23 waitForSignal(); //進入等待函數，將父進程阻塞，等待SIGINT信號的到來 24 printf("Parent process：Transmitted signal to my subprocess\n"); //等待結束后，打印提示信息 25 kill(pid, SIGUSR1); //向子進程發送用戶自定義信號 26 } 27 else //子進程中執行 28 { 29 signal(SIGUSR1, stopWaiting); //為SIGUSR1信號注冊處理函數 30 signal(SIGINT, SIG_IGN); //SIG_IGN就是數字1，代表忽略SIGINT信號 31 waitForSignal(); //進入等待函數，將子進程阻塞，等待父進程發送SIGUSR1信號 32 printf("Subprocess：Got the signal from my parent process\n"); //等待結束后，打印提示信息 33 } 34 35 return 0; 36 } 37 38 void stopWaiting() 39 { 40 waitFlag = 0; //將等待標志清零 41 } 42 43 void waitForSignal() 44 { 45 waitFlag = 1; //置數等待標志 46 while(waitFlag == 1); //將程序阻塞在此處 47 }
新的運行結果：
可以看到，可以正確打印父進程和子進程的提示信息了。
這段程序的執行流程是這樣的：
（1）在父進程中對“ctrl+c”發出的信號SIGINT進行重新注冊，讓它的處理函數變為stopWaiting()，代替了原來的“中斷進程”功能。然后進入等待函數，阻塞自己，等待SIGINT信號的到來；
（2）同時子進程中對用戶自定義信號SIGUSR1進行注冊，使其也指向處理函數stopWaiting()，然后再使用signal函數忽略“ctrl+c”發出的SIGINT信號，防止進程退出；
（3）用戶摁下“ctrl+c”后，父進程和子進程都收到了SIGINT信號，但是子進程屏蔽了該信號，所以不起作用，而父進程會處理該信號；
（4）父進程接收到SIGINT信號進入函數stopWaiting()，清零等待標志位后，解除阻塞，繼續向下執行，先打印提示信息，然后向子進程發送信號SIGUSR1，最后退出進程；
（5）子進程收到信號SIGUSR1后，進入stopWaiting()，清零等待標志位后，解除阻塞，繼續向下執行，打印提示信息，最后退出進程。
二、匿名管道通信
1.管道（pipe）定義
管道是進程之間的一種通信機制。一個進程可以通過管道把數據傳遞給另外一個進程。前者向管道中寫入數據，后者從管道中讀出數據。
管道的數據結構圖
2.管道的工作原理
（1）管道如同文件，可讀可寫，有讀和寫兩個句柄；
（2）通過寫寫句柄來向管道中寫入數據；
（3）通過讀讀句柄來從管道中讀取數據。
（4）匿名管道通信只能用於父子或兄弟進程的通信，由父進程創建管道，並創建子進程。
3.使用管道要注意的問題
由於管道是一塊共享的存儲區域，所以要注意互斥使用。所以進程每次在訪問管道前，都需要先檢查管道是否被上鎖，如果是，則等待。如果沒有，則給管道上鎖，然后對管道進行讀寫操作。操作結束后，對管道進行解鎖。
4.pipe()函數
pipe()的作用是建立一個匿名管道。函數格式是
int pipe(fd);
fd的定義如下
int fd[2];
fd[0]是讀句柄，fd[1]是寫句柄。
5.read()函數
read()函數的作用是從指定的句柄中讀出一定量的數據，送到指定區域。函數格式是
ssize_t read(int fd, const void *buf, size_t byte_num);
fd表示讀句柄，buf表示讀出數據要送到的區域，byte_num是要讀出的字節數，返回值是成功讀出的字節數。
6.write()函數
write()函數的作用是把指定區域中一定數量的數據寫入到指定的句柄中。函數格式是
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t byte_num);
fd表示寫句柄，buf表示數據來源，byte_num表示要寫入的字節數，返回值是成功寫入的字節數。
7.lockf()函數
lockf()函數的作用是給特定的文件上鎖。函數格式是
int lockf(int fd, int cmd, off_t len);
fd表示要鎖定的文件，cmd表示對文件的操作命令（“0”表示解鎖，“1”表示互斥鎖定區域，“2”表示測試互斥鎖定區域，“3”表示測試區域），len表示要鎖定或解鎖的連續字節數，如果為“0”，表示從文件頭到文件尾。
8.wait()函數
wait()函數的作用是立即阻塞自己，直到當前進程的某個子進程運行結束。函數格式是
pid_t wait(int *status);
其參數用來保存進程退出時的一些狀態，一般設定為NULL。返回值為退出的子進程的ID號。
9.一個匿名管道通信的實例
編寫一段程序，創建兩個子進程，這兩個子進程分別使用管道向父進程發送數據，父進程完整接收兩個子進程發送的數據后打印出來。
1 #include <stdio.h> 2 #include <signal.h> 3 #include <unistd.h> 4 #include <stdlib.h> 5 6 int main() 7 { 8 int p1, p2; //兩個子進程 9 int fd[2]; //讀寫句柄 10 char *s1 = "The 1st subprocess's data\n"; 11 char *s2 = "The 2rd subprocess's data\n"; 12 char s_read[80]; 13 pipe(fd); //建立匿名管道 14 p1 = fork(); 15 if(p1 == 0) //子進程一中執行 16 { 17 lockf(fd[1], 1, 0); //對管道的寫句柄進行鎖定 18 write(fd[1], s1, 26); //向寫句柄寫入26個字節的數據,注意這里的字節數一定要和字符串s1中的相等，否則會在寫入后增寫一個結束符，導致輸出不了理想的結果 19 lockf(fd[1], 0, 0); //解鎖寫句柄 20 exit(0); 21 } 22 else 23 { 24 p2 = fork(); 25 if(p2 == 0) //子進程二中執行 26 { 27 lockf(fd[1], 1, 0); //鎖定寫句柄 28 write(fd[1],s2, 26); //向寫句柄寫入24個字節的數據 29 lockf(fd[1], 0, 0); //解鎖寫句柄 30 exit(0); 31 } 32 else //父進程中執行 33 { 34 wait(NULL); //進程同步，等待一個子進程結束 35 wait(NULL); //進程同步，再等待一個子進程結束 36 //這兩個等待語句是為了確保兩個子進程都向管道中寫入了數據后，父進程才開始讀取管道中數據 37 read(fd[0], s_read, 52); //讀讀句柄，將讀取的數據存入s_read中 38 printf("%s", s_read); //打印數據 39 exit(0); 40 } 41 } 42 43 return 0; 44 }
運行結果：
三、消息隊列
1.概述
（1）消息是一個格式化的可變長的信息單元；
（2）小心通信機制允許一個進程給其他任意一個進程發送消息；
（3）當出現了多個消息時，會形成消息隊列，每個消息隊列都有一個關鍵字key，由用戶指定，作用與文件描述符相當。
2.為什么引入消息隊列機制
信號量和PV操作可以實現進程的同步和互斥，但是這種低級通信方式並不方便，而且局限性較大。當不同進程之間需要交換更大量的信息時，甚至是不同機器之間的不同進程需要進行通信時，就需要引入更高級的通信方式——消息隊列機制。
3.信箱
消息隊列的難點在於，發送方不能直接將要發送的數據復制進接收方的存儲區，這時就需要開辟一個共享存儲區域，可供雙方對這個存儲區進行讀寫操作。這個共享區域就叫做信箱。每個信箱都有一個特殊的標識符。每個信箱都有自己特定的信箱容量、消息格式等。信箱被分為若干個分區，一個分區存放一條消息。
4.重要的兩條原語：
原語具有不可分割性，執行過程不允許被中斷。
（1）發送消息原語（send）：如果信箱就緒（信箱還未存滿），則向當前信箱指針指向的分區存入一條消息，否則返回狀態信息（非阻塞式）或者等待信箱就緒（阻塞式）。
（2）接收消息原語（receive）：如果信箱就緒（信箱中有消息），則從當前信箱指針指向的分區讀取一條消息，否則返回狀態信息（非阻塞式）或者等待信箱就緒（阻塞式）。
注：在信箱非空的情況下，每讀取一次信箱，信箱中的消息就會少一條，直到信箱變為空狀態。
5.消息通信的原理
（1）如果一個進程要和另外一個進行通信，則這兩個進程需要開辟一個共享存儲區（信箱）；
（2）消息通信機制也可以用在一對多通信上，一個server和n個client通信時，那么server就和這n個client各建立一個共享存儲區；
（3）一個進程可以隨時向信箱中存儲消息，當然一個進程也可以隨時從信箱中讀取一條消息。
6.消息機制的同步作用
采用消息隊列通信機制，可以實現進程間的同步操作。在介紹同步功能之前，需要先介紹兩個名詞，阻塞式原語和非阻塞式原語。阻塞式原語是指某進程執行一個指令時，如果當前環境不滿足執行條件，則該進程會在此停止，等待系統環境滿足執行條件，然后繼續向下執行。非阻塞式原語是指某進程執行一個指令時，如果當前環境不滿足執行條件，則立即返回一個狀態信息，並繼續執行接下來的指令。
（1）非阻塞式發送方+阻塞式接收方：兩個進程開始運行后，接收方會進入等待狀態，等待發送方給接收方發送一條消息，直到接收到相應的消息后，接收方進程才會繼續向下執行。
（2）非阻塞式發送方+非阻塞式接收方：發送方和接收方共享一個信箱，發送方隨時可以向信箱中存入一條消息，接收方可以隨時從信箱讀取一條消息。當信箱滿時，發送方進入阻塞狀態；當信箱空時，接收方進入阻塞狀態。
7.msgget()函數
msgget()函數的作用是創建一個新的或打開一個已經存在的消息隊列，此消息隊列與key相對應。函數格式為
int msgget(key_t key, int msgflag)；
參數key是用戶指定的消息隊列的名稱；參數flag是消息隊列狀態標志，其可能的值有：IPC_CREAT（創建新的消息隊列）、IPC_EXCL（與IPC_CREAT一同使用，表示如果要創建的消息隊列已經存在，則返回錯誤）、 IPC_NOWAIT（讀寫消息隊列要求無法滿足時，不阻塞）；返回值是創建的消息隊列標識符，如果創建失敗則則返回-1。函數調用方法是：
msgget(key,IPC_CREAT|0777)；
0777是存取控制符，表示任意用戶可讀、可寫、可執行。如果執行成功，則返回消息隊列的ID號（注意和隊列KEY值作區分，這二者不同），否則返回-1。
8.msgsnd()函數和msgrcv()函數
msgsnd()函數的作用是將一個新的消息寫入隊列，msgrcv()函數的作用是從消息隊列讀取一個消息。函數格式是
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg); ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
參數msqid是消息隊列的ID號；參數msgp是指向消息緩沖區的指針，此位置用來暫時存儲發送和接收的消息，是一個用戶可定義的通用結構，形態如下
struct msgbuf { long mtype; /* 消息類型，必須 > 0 */ char mtext[1]; /* 消息文本 */ }；
參數msgsz是消息大小；參數msgtyp是消息類型（大於0則返回其類型為msgtyp的第一個消息，等於0則返回隊列的最早的一個消息，小於0則返回其類型小於或等於mtype參數的絕對值的最小的一個消息），msgflag這個參數依然是是控制函數行為的標志（取值0，表示忽略，那么進程將被阻塞直到函數可以從隊列中得到符合條件為止；取值IPC_NOWAIT，表示如果消息隊列為空，則返回一個ENOMSG，並將控制權交回調用函數的進程）。
9.msgctl()函數
msgctl()函數的作用是對相應消息隊列進程控制操作。函數格式是
int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf)；
參數msqid表示消息隊列ID號；cmd表示對隊列的控制操作，其可能值有IPC_STAT（讀取消息隊列的數據結構msqid_ds，並將其存儲在buf指定的地址中）、IPC_SET（設置消息隊列的數據結構msqid_ds中的ipc_perm元素的值，這個值取自buf參數）、IPC_RMID（從系統內核中移走消息隊列）；參數*buf用來表示隊列的當前狀態，可以設置為空。
10.一個消息隊列通信的實例
編寫一個receiver程序和一個sender程序。首先運行sender程序，建立一個消息隊列，並向消息隊列中發送一個消息。再運行receiver程序，從消息隊列中接收一個消息，將其打印出來。
1 //文件名為sender.c 2 #include <sys/types.h> 3 #include <sys/msg.h> 4 #include <sys/ipc.h> 5 #include <stdio.h> 6 7 #define KEY 60 8 9 struct msgbuf 10 { 11 long mtype; //消息類型，必須大於0 12 char mtext[50]; //消息內容 13 }; 14 15 int main() 16 { 17 int msgqid; //消息隊列ID號 18 struct msgbuf buf = { 1, "This is a message from sender\n"}; 19 msgqid=msgget(KEY,0777|IPC_CREAT); 20 msgsnd(msgqid, &buf, 50, 0); //發送消息到消息隊列 21 return 0; 22 }
1 //文件名為receiver.c 2 #include <stdio.h> 3 #include <sys/types.h> 4 #include <sys/msg.h> 5 #include <sys/ipc.h> 6 7 #define KEY 60 8 9 struct msgbuf 10 { 11 long mtype; //消息類型，必須大於0 12 char mtext[50]; //消息內容 13 }; 14 15 int main() 16 { 17 int msgqid = 0; 18 struct msgbuf buf; 19 msgqid = msgget(KEY, 0777); 20 msgrcv(msgqid, &buf, 50, 0, IPC_NOWAIT); //接收一條最新消息，如果消息隊列為空，不等待，直接返回錯誤標志 21 printf("%s", buf.mtext); 22 msgctl(msgqid, IPC_RMID, NULL); 23 24 return 0; 25 }
運行結果：
首先使用命令“ipcs -q”查看有無消息隊列，開始時沒有消息隊列。運行sender程序后，再使用命令“ipcs -q”，可以看到有了一個消息隊列（其中的key值為“0x3c”，十進制形式是60；“perms”項下為777，表示權限為任何用戶可讀、可寫、可操作；“messages”項下為1，表示隊列中有一條消息）。再運行receiver程序，讀取出消息隊列中的消息，將其打印出來。最后使用命令“ipcs -q”可以看到消息隊列被銷毀了。
11.消息隊列機制用於進程同步
改寫上述程序，要求實現以下功能：先運行receiver程序，使其處於阻塞狀態。再運行sender程序，給receiver程序發送一條消息。receiver程序接收到消息后將其打印出來，然后結束。
1 //文件名為sender.c 2 #include <sys/types.h> 3 #include <sys/msg.h> 4 #include <sys/ipc.h> 5 #include <stdio.h> 6 7 #define KEY 60 8 9 struct msgbuf 10 { 11 long mtype; //消息類型，必須大於0 12 char mtext[50]; //消息內容 13 }; 14 15 int main() 16 { 17 int msgqid; //消息隊列ID號 18 struct msgbuf buf = { 1, "This is a message from sender\n"}; 19 msgqid=msgget(KEY,0777); //打開名稱為KEY的消息隊列 20 msgsnd(msgqid, &buf, 50, 0); //發送消息到消息隊列 21 return 0; 22 }
1 //文件名為receiver.c 2 #include <stdio.h> 3 #include <sys/types.h> 4 #include <sys/msg.h> 5 #include <sys/ipc.h> 6 7 #define KEY 60 8 9 struct msgbuf 10 { 11 long mtype; //消息類型，必須大於0 12 char mtext[50]; //消息內容 13 }; 14 15 int main() 16 { 17 int msgqid = 0; 18 struct msgbuf buf; 19 msgqid = msgget(KEY, 0777|IPC_CREAT); //創建一個消息隊列，名稱為KEY，該隊列任何用戶可讀可寫 20 msgrcv(msgqid, &buf, 50, 0, 0); //接收一條最新消息，如果消息隊列為空，則阻塞，直到消息隊列中有消息 21 printf("%s", buf.mtext); 22 msgctl(msgqid, IPC_RMID, NULL); 23 24 return 0; 25 }
運行結果
開始時，沒有消息隊列存在。首先運行receiver（&表示后台運行），使用命令“ps”可以看到后台有一個名稱為receiver的進程在運行。然后運行sender，receiver接收到sender的消息后將其打印出來。再次使用“ps”命令，可以看到receiver進程已經銷毀。該程序實現的主要原理是receiver的接收消息函數msgrcv使用了參數“0”，該參數的作用是如果消息隊列中沒有消息，則阻塞，等待消息的到來。
四、共享存儲區
共享存儲區是指在內存中開辟一個公共存儲區，把要進行通信的進程的虛地址空間映射到共享存儲區。發送進程向共享存儲區中寫數據，接收進程從共享存儲區中讀數據。