Linux进程间通信：管道（pipe、fifo）与共享内存

giturtle
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本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

操作系统中的每个进程都是独立的个体，但有时需要给他们提供一个通信的方式进行数据通信或者访问控制，因此必须能够共同访问一个相同的媒介。

操作系统提供的进程间的几种通信方式： System V标准的进程间通信方式 (另：POSIX标准)

  1. 管道 （命名管道与匿名管道）

  2. 共享内存

  3. 消息队列

  4. 信号量

进程间通信的目的：

  1. 数据传输
  2. 数据共享
  3. 进程间的访问控制

因为通信的目的不同，使用场景不同，具体进程间通信方式场景： 1. 管道(命名/匿名) ---> 传输数据 2. 共享内存 ---> 共享数据 3. 消息队列 ---> 传输数据 4. 信号量 ---> 进程间的访问控制

管道

用于：进程间数据资源传输 。

原理：内核的一块缓冲区

匿名管道：pipe

需要包含头文件< unistd.h >

接口定义：

int pipe(int pipefd[2]);

pipedfd： 输出型参数

  • pipefd[0] --> 从管道==读==数据

  • pipefd[1] --> 从管道==写==数据

【特性】：只能用于具有亲缘关系的进程间通信。

匿名管道的读写特性

  1. 读阻塞 若管道中没有数据，则read会阻塞，直到读到数据返回。
  2. 写阻塞 若管道中数据满了，则write会阻塞，直到数据被读取，管道中有空闲位置，写入数据后返回。

若管道所有的读端都被关闭，则write会触发异常(SIGPIPE)，通知用户无人读了，导致进程退出。 若管道所有的写端都被关闭，则read读完管道数据后，返回0(通知用户无人写了)

管道自带同步与互斥特性：当读写大小小于PIPE_BUF时，保证操作原子性。

操作原子性：操作不可被打断。

  • 互斥：保证对临界资源同一时间的唯一访问性。(临界资源：大家都能访问到的公共资源，如全局变量等)
  • 同步：保证对临界资源访问的时序可控性，以求公平合理。

管道为半双工通信：可选择方向的单向通信。管道生命周期随进程。

ps -ef | grep ssh

ps -ef：输出：所有的进程信息，写入标准输出 grep ssh 从标准输入读取数据，进行过滤处理

命名管道：fifo

命名管道可见于文件系统。 因为创建命名管道会随之在文件系统中创建一个命名管道文件(p类型文件)，所有进程都能够通过打开管道文件，进而获取管道的操作句柄，因此命名管道可以用于同一主机上任何进程间通信。

管道的原理依然还是内核的缓冲区。只是通过文件向所有进程都提供了能够访问管道的方法。

  • mkfifo接口： (3号man手册)
int mkfifo(const char *pathname,mode_t mode);

  • pathname ：管道文件名。

  • mode：创建权限。

  • 返回值：成功返回0，失败返回-1。

命名管道文件的打开特性

  • 若管道没有以写的方式打开，这时如果只读打开，则会阻塞，直到文件被以写的方式打开为止。 (以只读方式打开时，若管道文件没有其他进程以写的方式打开，则阻塞)
  • 若管道没有以读的方式打开，这时如果只写打开，则会阻塞，直到文件被以读的方式打开为止。
  • 若管道以读写方式打开，则不会阻塞。

读写特性

与匿名管道相同。

共享内存

共享内存是==最快==的进程间通信方式，没有之一！

因为相较于其他进程间通信方式，共享内存直接将一块内存映射到虚拟地址空间 / 用户空间，用户可以直接通过地址对内存进行操作，并反馈到其他进程，少了两步(用户态 <-> 内核态)的数据拷贝的过程。

管道：有一个buf作为媒介，有数据拷贝的发生。

  1. 创建或打开共享内存 | shmget
  2. 将共享内存映射到虚拟地址空间 |shmat
  3. 对共享内存进行基本内存操作 |memcpy,strcpy等
  4. 解除映射关系 | shmdt
  5. 删除共享内存 | shmctl

接口：

int shmget(ket_t key,size_t size,int shmflg,mode_flags);
  • key：共享内存标识符。
  • size：共享内存大小。
  • shmflg：打开方式/创建权限。 IPC_CREAT：共享内存不存在则创建，存在则打开。 IPC_EXCL：与IPC_CREATE同用，若不存在则创建，存在则报错。
  • mode_flags：权限。
  • 返回值：成功返回操作句柄shmid，失败返回-1。

共享内存命令：

  1. 查看： ipcs 选项：-m： (缩写：memory)只查看共享内存。

  2. 删除： ipcrm -m <shmid>

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