Linux 学习九 进程间通信

管道

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

• 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
• 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
• 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。 使用ulimit -a可以查看

管道的局限性：

• 只能一端读，另一端写
• 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
• 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
• 只能在有公共祖先的进程间使用管道

int pipe(int pipefd[2]); 成功：0；失败：-1，设置errno

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

工作原理：

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。
2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>

void sys_err(const char *str)
{
    perror(str);
    exit(1);
}

int main(void)
{
    pid_t pid;
    char buf[1024];
    int fd[2];
    char *p = "test for pipe\n";
    
   if (pipe(fd) == -1) 
       sys_err("pipe");

   pid = fork();
   if (pid < 0) {
       sys_err("fork err");
   } else if (pid == 0) {
        close(fd[1]);
        int len = read(fd[0], buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);
        close(fd[0]);
   } else {
       close(fd[0]);
       write(fd[1], p, strlen(p));
       wait(NULL);
       close(fd[1]);
   }
    
    return 0;
}

存储映射I/O

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不使用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

内存映射mmap

void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

返回：成功：返回创建的映射区首地址；失败：MAP_FAILED宏

参数：

addr: 	建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL
length： 欲创建映射区的大小
prot：	映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
flags：	标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)
	  	MAP_SHARED:  会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。
	  	MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。
fd： 	用来建立映射区的文件描述符
offset： 	映射文件的偏移(4k的整数倍)

munmap函数

同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。

int munmap(void *addr, size_t length); 成功：0； 失败：-1

总结：

使用mmap时务必注意以下事项：

• 1.创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
• 2.当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
• 3.映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。
• 4.特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！ mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
• 5.munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
• 6.如果文件偏移量必须为4K的整数倍
• 7.mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

写文件：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>

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

int main(void)
{
    char *mem;
    int len = 0;

    int fd = open("hello244", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
    //int fd = open("dict.txt", O_RDWR);
    if (fd < 0)
        sys_err("open error");
    ftruncate(fd, 20);
/*
    len = lseek(fd, 3, SEEK_SET);   //获取文件大小,根据文件大小创建映射区
    write(fd, "e", 1);              //实质性完成文件拓展
    */
    printf("The length of file = %d\n", len);

    mem = mmap(NULL, 20, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mem == MAP_FAILED)            //出错判断
        sys_err("mmap err: ");
    close(fd);

    strcpy(mem, "xxx");
    printf("%s\n", mem);

    if (munmap(mem,  4) < 0)
        sys_err("munmap");

    return 0;
}

munmap使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

void *smalloc(size_t size)
{
	void *p;

	p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, 
			MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
	if (p == MAP_FAILED) {		
		p = NULL;
	}

	return p;
}

void sfree(void *ptr, size_t size)
{
	munmap(ptr, size);
}

int main(void)
{
	int *p;
	pid_t pid;
	
	p = smalloc(4);

	pid = fork();				//创建子进程
	if (pid == 0) {
		*p = 2000;
		printf("child, *p = %d\n", *p);
	} else {
		sleep(1);
		printf("parent, *p = %d\n", *p);
	}

	sfree(p, 4);

	return 0;
}

mmap原理：www.jianshu.com/p/472ea3544…

mmap父子进程通信使用：

父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

• MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区；
• MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区；

练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，然后，父进程读取映射区内容

/* 
 *父子进程共享打开的文件描述符------使用文件完成进程间通信.
 */
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>


int main(void)
{
    int fd1, fd2; pid_t pid;
    char buf[1024];
    char *str = "---------test for shared fd in parent child process-----\n";


    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork error");
        exit(1);
    } else if (pid == 0) {
        fd1 = open("test.txt", O_RDWR);
        if (fd1 < 0) {
            perror("open error");
            exit(1);
        }
        write(fd1, str, strlen(str));
        printf("child wrote over...\n");

    } else {
        fd2 = open("test.txt", O_RDWR);
        if (fd2 < 0) {
            perror("open error");
            exit(1);
        }
        sleep(1);                   //保证子进程写入数据

        int len = read(fd2, buf, sizeof(buf));
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);

        wait(NULL);
    }

    return 0;
}

匿名映射

通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。 解决办法是可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)，

例如：int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0); "4"是随意举例的，该位置表示大小，可依实际需要填写。

使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

int main(void)
{
	int *p;
	pid_t pid;
	
	p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);  //MAP_ANONYMOUS
	if(p == MAP_FAILED){		//注意:不是p == NULL
		perror("mmap error");
		exit(1);
	}

	pid = fork();				//创建子进程
	if(pid == 0){
		*p = 2000;
		printf("child, *p = %d\n", *p);
	} else {
		sleep(1);
		printf("parent, *p = %d\n", *p);
	}

	munmap(p, 4);				//释放映射区

	return 0;
}

需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏,在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。

• fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
• p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);

使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

int main(void)
{
	int *p;
	pid_t pid;
	
	int fd;
	fd = open("/dev/zero", O_RDWR);

	p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);

	if(p == MAP_FAILED){		//注意:不是p == NULL
		perror("mmap error");
		exit(1);
	}

	pid = fork();				//创建子进程
	if(pid == 0){
		*p = 2000;
		printf("child, *p = %d\n", *p);
	} else {
		sleep(1);
		printf("parent, *p = %d\n", *p);
	}

	munmap(p, 4);				//释放映射区

	return 0;
}

mmap无血缘关系进程间通信

实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了

fifo

first in first out

有名管道

-FIFO常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。

FIFO是Linux基础文件类型中的一种。但，FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。 创建方式：

• 1. 命令：mkfifo 管道名
• 2. 库函数：int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0； 失败：1

一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。