Linux笔记（16）| 进程同步机制——管道和IPC
今天要分享的是Linux进程的同步机制，包括管道和IPC。之前学习的信号也有控制进程同步的作用，但是信号仅仅传输很少的信息，而且系统开销大，所以这里再介绍几种其他的进程同步机制。在之前的一篇文章中有提到相关内容，但是当时没有详细展开，可以回顾一下：Linux笔记（10）| 进程概述。
一、管道（无名管道）
一般说管道都是指无名管道（也称匿名管道），有名管道（也称命名管道）不会直接说管道，肯定会加上前缀。
管道是Linux下最常见的进程间的通信方式之一，它是在两个进程之间实现一个数据流通的通道。它有以下特点：
1、管道一般是半双工的，数据只能向一个方向流动。
2、通常只能在父子进程或者兄弟进程之间使用。
3、管道是一种特殊的文件，并且只存在于内存当中
……
接下来说一下管道的使用：
创建管道
int pipe(int pipefd[2]);输入参数是一个数组，实际上这个输入参数是当做输出来用的，调用这个函数，成功的话数组里就会保存两个文件描述符，并且返回0，失败返回-1.
其中文件描述符fd[0]是读端，fd[1]是写端，这是固定不变的。刚刚我们也说了，创建管道肯定是为了父子进程或者兄弟进程之间通信的，单独在一个进程里面使用管道毫无意义。
所以父进程创建好管道之后，再调用fork函数创建子进程，子进程就会继承那个管道，于是父子间可以约定谁来读，谁来写。因为是半双工通信，所以只能一个读，一个写，如果想要两端都能读写，那就要创建两个管道。
比如父进程读，子进程写，那么父进程可以先close(fd[1]),然后read(fd[0]),子进程先close(fd[0]),然后write(fd[1]).
读写的时候只要把他当做普通的文件就行了，和普通的文件描述符的读写一样，但是有一点不一样的是普通文件读完了数据还在，而管道读完之后数据就没了。
二、有名管道
管道只能在有亲缘关系的进程之间实现通信，但是有名管道可以在任何两个进程之间实现通信。有名管道严格遵循先进先出的规则，不支持lseek函数等文件定位操作。
首先创建一个有名管道：
int mkfifo(const char*pathname,mode_t mode);pathname参数是一个普通的路径名，也就是创建后有名管道文件的名字，mode参数是文件的操作权限，调用成功返回0，调用失败返回-1.
接下来就可以使用open或者fopen函数打开刚刚创建的有名管道文件，对其进行读写操作了。
三、System V IPC机制
IPC机制由消息队列、信号量以及共享内存三种具体实现方法组成。
首先要了解两个概念，标识符和关键字。每一个IPC结构（消息队列或者信号量或者共享内存）都有一个标识符，这是一个非负整数，每创建一个IPC结构，相应的标识符就会加1，这个标识符在相同的结构中是唯一的，也就是说，如果“666”是某个消息队列的标识符，那么肯定不会有第二个消息队列的标识符也是“666”。但是需要注意的是，可能某个共享内存的标识符也是“666”。于是，还得用一个东西来区分，那就是关键字了。所以，根据关键字和标识符可以唯一确定一个IPC结构。
IPC的关键字一般可以使用IPC_PRIVATE，也可以使用ftok函数获得，他们有一些区别，后面会提到。
ftok函数的使用：
key_t ftok(const char* pathname,int proj_id);ftok函数是用于将一个路径和项目ID转换为关键字，第一个参数必须是一个存在的、可以访问的文件路径名，第二个参数项目ID只有低八位有效。
在创建一个IPC对象的时候，他们有一些共同的特点：
我们先来看一下IPC对象创建函数：
1、创建消息队列
int msgget(key_t key,int msgflg);2、创建信号量
int semget(key_t key,int nsems,int semflg);3、创建共享内存
int shmget(key_t ,size_t size,int shmflg);可以发现，他们都有一个关键字key，都有一个flag参数。在使用上，也有一些共同的特点：
当key使用IPC_PRIVATE时，操作系统保证创建一个唯一的IPC对象，此时flag参数仅决定对象的存取权限。
当key使用ftok函数得到的关键字时，flag参数不仅决定对象的存取权限，还和创建方式有关，具体就是：
设置flag参数的IPC_CREAT位，但不设置IPC_EXCL位，如果不存在指定key的IPC对象，就创建，如果存在，就返回该对象。
同时设置IPC_CREAT位和IPC_EXCL位，如果对象不存在就创建，如果已经存在，则返回错误。
这和文件操作函数open是类似的。
接下来介绍一下各个IPC对象涉及到的API函数。由于具体的细节比较多，这里就不一一罗列了，可以使用man手册来查看具体细节。
1、消息队列
创建：用来创建或者打开一个消息队列
int msgget(key_t key,int msgflg);控制：其中cmd命令参数可以获取或者设置buf里的内容，也可以删除这个消息队列（看具体的参数设置）
int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);发送：向消息队列里发送消息
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);接收：从消息队列接受消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);2、信号量
创建：用来创建或者打开一个信号量
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);操作：可以申请或者释放信号量。
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);控制：可以设置或返回信号量的值，可以删除信号量
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);3、共享内存
创建：用来创建或者打开一个共享内存。
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);连接：将共享内存附加到进程里的地址空间（有点像映射）
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);脱离：将共享内存和进程地址空间脱离，但不删除共享内存本身
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);设置属性：可以设置或者返回buf里的内容，也可以删除共享内存。
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);接下来写一段代码，需求是：创建一个共享内存，子进程写入数据，父进程读出数据，同时使用信号量来对读写进行保护
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#define SHMSIZE 128
int main(int argc,char* argv[])
{
if(argc !=2){
printf("please input param\n");
exit(0);
}
key_t semkey,shmkey;
int semid,shmid,pid;
char* shmp;
struct sembuf locksembuf={0,-1,SEM_UNDO};
struct sembuf unlocksembuf={0,1,SEM_UNDO|IPC_NOWAIT};
struct shmid_ds shmdsbuff;
semkey=ftok(argv[1],0);
if(semkey==-1){
printf("semkey ftok failed\n");
exit(0);
}
shmkey=ftok(argv[1],1);
if(semkey==-1){
printf("shmkey ftok failed\n");
exit(0);
}
semid=semget(semkey,1,IPC_CREAT | 0666); //创建信号量
if(semid==-1){
perror("semget");
exit(0);
}
shmid=shmget(shmkey,SHMSIZE,0666 | IPC_CREAT ); //创建共享内存
if(shmid==-1)
{
perror("shmget");
exit(0);
}
printf("creat share memory success\n");
shmp=shmat(shmid,NULL,0); //连接共享内存(映射地址)
if((long)shmp==-1)
{
perror("shmat failed\n");
exit(0);
}
pid=fork();
if(pid<0)
{
perror("fork failed\n");
exit(0);
}
else if(pid==0) //子进程
{
printf("creat child process success\n");
if(semctl(semid,0,SETVAL,1)<0) //初始化信号量为1
{
perror("semctl");
exit(0);
}
if(semop(semid,&locksembuf,1)==-1) //申请资源
{
perror("semop");
exit(0);
}
sleep(4);
strcpy(shmp,"hello world\n");
if(shmdt((void*)shmp)<0) //使共享内存脱离进程地址空间
{
perror("shmdt");
exit(0);
}
if(semop(semid,&unlocksembuf,1)<0) //解锁临界资源
{
perror("child process unlock semop");
exit(0);
}
}
else //父进程
{
printf("This is parent process\n");
sleep(1);
int ret=semop(semid,&locksembuf,1);
if(ret<0)
{
perror("parent process semop lock");
exit(0);
}
if(shmctl(shmid,IPC_STAT,&shmdsbuff)<0) //父进程获取共享内存的信息
{
perror("shmctl");
exit(0);
}
else{
printf("get shm success\n");
printf("Shared Memory Infomation:\n");
printf("\tCreator PID:%d\n",shmdsbuff.shm_cpid);
printf("\tSize(bytes):%ld\n",shmdsbuff.shm_segsz);
printf("\tLast Operator PID :%d\n",shmdsbuff.shm_lpid);
printf("Receive message:%s\n",(char*)shmp);
}
if(shmdt((void*)shmp)<0)
{
perror("parent process shmdt");
exit(0);
}
ret=semop(semid,&unlocksembuf,1);
if(ret<0)
{
perror("parent process semop");
exit(0);
}
if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)<0)
{
perror("shmctl RMID");
exit(0);
}
if(semctl(semid,0,IPC_RMID,NULL)<0)
{
perror("semctl RMID");
exit(0);
}
}
return 0;
}接下来编译执行
gcc sem.c
./a.out a.txt //注意，当前目录下需要有一个a.txt，其他文件也行输出：
以上就是今天的内容。
腾讯云开发者
