3.14-进程间通信

进程间通信 IPC

• 进程间通信的原理，借助进程之间使用同一个内核，借助内核，传递数据。

进程间通信的方法

1. 管道：最简单。
2. 信号：开销小。
3. mmap映射：速度最快，非血缘关系之间。
4. socket（本地套间字）：稳定性好。

管道 pipe

• 实现原理：借助 Linux 内核使用环形队列机制，借助缓冲区（4k）实现。

• 特质：

  1. 本质：伪文件（实为内核缓冲区）
  2. 用于进程间通信，由两个 fd 引用，一个读端，一个写端。
  3. 规定数据从管道写端流入，读端流出。

• 局限性：

  1. 自己写，不能自己读。
  2. 管道中的数据，不能反复读取。
  3. 半双工通信（对讲机）。
  4. 必须应用于血缘关系间。

使用的函数

函数调用成功自动创建匿名管道，返回两个文件描述符，无需open，但需要手动close
int pipe(int pipefd[2]);
参：
fd[0]:
fd[1]:
返回值：
    成功：0
    失败：-1，errno

• 父子进程管道通信

管道的读写行为

• 读管道：
  1. 管道有数据，read返回实际读到的字节数。
  2. 管道有数据
     • 无写端，read返回 0 （类似读到文件末尾）
     • 有写端，阻塞等待。
  • 有写端：
    1. 无读端，异常终止。（SIGPIPE 信号）
    2. 有读端
       • 管道已满，阻塞
       • 未满，返回实际写出的字节数。

管道的优劣

• 优点：简单
• 缺点：
  1. 只能单向通信，实现双向通信需要两个管道。
  2. 只能应用与父子兄弟（有公共祖先）进程间通信，无血缘关系进程间可以用 fifo 替代。

命名管道 FIFO

• 命名创建：mkfifo 管道名。
• 函数创建

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

• 可以用于任意关系间通信。
• 管道中的数据一次性读取。
• 读端：以O_RDONLY 打开 fifo 通道。
• 写端：以 O_WRONLY/RDWR 打开同一个管道。

mmap

文件进程间通信

• 有血缘关系、无血缘关系的进程，都可以使用同一个文件来实现进程间通信。

建立映射

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
参数：
	addr：指定映射区的首地址。通常传 NULL，表示让系统自动分配
	length：共享内存映射区大小（<= 文件实际大小）。
	prot：共享内存映射区的读写属性。PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
	flag：标注共享内存映射区的共享属性
        MAP_SHARED：对共享内存所作的修改，会反映到物理磁盘上，IPC 专用。
        MAP_PRIVATE：对共享内存做的修改，不会反映到磁盘上。
	fd：用来创建共享内存映射区的哪个文件的文件描述符。
	offset：默认0，表示映射文件全部偏移位置，必须是 4k 整数倍。
返回值：
    成功：映射区的首地址。
    失败：MAP_FAILED（void* (-1)），errno

• munmap 释放共享内存映射

int munmap(void *addr, size_t length);
参1：mmap（）返回值。
参2：共享内存映射区大小
    
返回值：
	成功：0
    失败：-1，errno

mmap使用的注意事项

1. 用于创建映射区的文件的大小必须是非 0。映射区的大小 <= 文件大小。
2. 创建映射区，需要 read 权限。指定访问权限为 MAP_SHARED，mmap需要读写权限。应该 <= 文件权限。
3. 文件描述符 fd，在 mmap 创建映射区完成，可以立即关闭，后续访问文件使用内存地址。
4. offset 必须是 4096 的整数倍（MMU 映射的最小单位 4k）。
5. 映射区访问的权限设为私有，对内存做的所有修改都只在内存有效，不反映在磁盘上。

mmap 函数保险调用方式

1. fd = open(“filename”, O_RDWR)
2. mmap(NULL, size of valid file, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)

进程间通信

父子间通信

1. 父进程先创建映射区。open(O_RDWR); mmap(MAP_SHARED);
2. fork() 创建子进程。
3. 一个进程使用映射区读，另一个进程写。

无血缘关系进程间通信

1. 两个进程打开同一个文件，创建映射区。
2. 指定 flags 为 MAP_SHARED。
3. 一个进程使用映射区读，另一个进程写。

mmap 特性

• fifo、mmap 都可以应用于非血缘关系间通信。
  • mmap：数据可以重复读写。
  • fifo：数据只能一次性读写。
• 直接操作内存，执行速度快

匿名映射

• 只能应用于有血缘关系的进程间通信。
• /dev/null：黑洞文件，无限向该文件写入数据。
• /dev/zero：无限向该文件读取数据，读到的都是 0。
• MAP_ANON 只在 Linux 中有效，系统中没有该选项，可以借助 /dev/zero 实现。