Linux学习之系统编程4(进程间通信）

写在前面：

我的Linux的学习之路非常坎坷。第一次学习Linux是在大一下的开学没多久，结果因为不会安装VMware就无疾而终了，可以说是没开始就失败了。第二次学习Linux是在大一下快放暑假（那个时候刚刚过完考试周），我没什么事做就又重拾Linux，不服输的我选择再战Linux，这一次学习还算顺利，虽然中间有些小插曲但是不影响整体学习进度， 我看着B站上的视频一点点学习Linux，基本上把Linux的基础指令学完了。学完之后我又遇到问题了，视频基本上到这就结束了，而我却不知道下一步该学什么，于是就没怎么碰Linux，结果没过多长时间我就把学的Linux指令忘的一干二净。现在是我第三次学习Linux，我决定重新开始学Linux，同时为了让自己学习的效果更好，我选择以写blog的形式逼迫自己每天把学习到的Linux知识整理下来。这也就是我写这个系列blog的原因。

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进程间通信

IPC（Interprocess Communication)进程间通信
进程间通信的常用方式，特征：

• 管道：简单
• 信号：开销小
• mmap映射：非血缘关系进程通信
• socket（本地套接字）：稳定

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管道(pipe)通信

实现原理：内核借助环形队列机制，使用内核缓冲区实现。

特质：

• 伪文件
• 管道中的数据只能一次读取
• 数据在管道中只能单向流动

局限性：

• 自己写，不能自己读。
• 数据不能反复读取。
• 半双工通信
• 仅限于血缘关系进程使用

基本用法

pipe()函数，创建并打开管道。
int pipe(int fd[2]);
参数：

• fd[0]:读端
• fd[1]: 写端

返回值：

• 成功，0
• 失败，-1，errno被设置

管道通信原理（图)：

举个栗子

源代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
	int fd[2];
	char p[30]="This a test about pipe\n";
	char buf[30];
	pid_t pid;
	pipe(fd);
	pid=fork();
	if(pid==0)
	{
		close(fd[1]);
		read(fd[0],buf,sizeof buf);
		printf("%s",buf);
	}
	else 
	{
		close(fd[0]);
		printf("I am parent,i will write something to mychild\n");
		write(fd[1],p,strlen(p));
	}
	return 0;
}

效果：

管道的读写行为

• 读管道
  • 管道有数据，read读取数据，返回实际读到的字节数。
  • 管道没有数据：
    • 没有写端，read返回0（类似读到文件的末尾）
    • 有写端，read阻塞等待。
• 写管道
  • 没有读端，异常终止。
  • 有读端：
    • 管道未满，往管道里写数据，返回实际写入的字节数。
    • 管道已满，阻塞等待。

综合练习

我们使用管道通信实现父子进程ls | wc -l功能
思路分析：

1. 我们先让父进程写，子进程读（父进程读，子进程写也可以）
2. 对于父进程，我们可以用之前学的函数execlp，但是ls命令输出到屏幕 ，我们又想到之前学的函数dup2重定向，我们可以把STDOUT_FILENO重定向到管道的写端。
3. 对于子进程，我们也可以用之前学的函数execlp,但是wc接受的命令是来自屏幕，我们又想到之前的学的函数duo2重定向，把STDIN_FILENO重定向到管道的读端。

源代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
        int fd[2];
        pipe(fd);
        pid_t pid;
        pid= fork();
        if(pid==0)
        {
                close(fd[0]);
                dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);
                execlp("ls","ls",NULL);
                perror("child error");
        }
        else
        {
                close(fd[1]);
                dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
                execlp("wc","wc","-l",NULL);
                perror("parent error");
        }
        return 0;
}

效果：

兄弟间通信

我们用一个父进程创建两个子进程，用这两个子进程来实现上面的功能ls | wc -l
源代码：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
	int fd[2],i;
	pipe(fd);
	for(i=0;i<2;i++)
	{
		if(fork())
			break;
	}
	
	if(2==i)
	{
		close(fd[1]);	
		close(fd[0]);
		wait(NULL);
		wait(NULL);
		printf("I am parent,i wait two children successfully\n");
	}
	else if(0==i)
	{
		close(fd[0]);
		dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);
		execlp("ls","ls",NULL);
		perror("1th child error");
	}
	else if(1==i)
	{
		close(fd[1]);
		dup2(fd[0],STDIN_FILENO);
		execlp("wc","wc","-l",NULL);
		perror("2th child error");
	}
	return 0;
}

效果：

这里唯一要注意的是我们用兄弟通信时，要把父进程的读端和写端都关闭

一个pipe可以有一个写端多个读端
一个pipe可以有多个写端一个读端

管道的默认大小是4096（4k)

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命令管道（fifo)通信

优管道的优缺点

优点：

• 简单，相比信号，套接字实现进程通信，简单很多
  缺点：
• 只能单向通信，双向通信需建立两个管道
• 只能用于有血缘关系的进程间通信。该问题后来使用fifo命名管道解决。

fifo管道：可以用于无血缘关系的进程间通信。fifo操作起来像文件

mkfifo函数

这个函数和open差不多，只不过创建的文件类型不同罢了。
返回值：

• 成功，0
• 失败，-1，errno被设置

fifo实现非血缘关系进程间通信

思路：

1. 我们打开两个没有血缘关系的进程，一个负责写（我们命令为fifo_w，一个负责读（我们命令为fifo,r)。同时使用mkfifio创建一个命名管道（我们命名为fifo_test)。
2. 对于fifo_w，我们打开管道的写端fd=open("fifo_test",O_WRONLY)，接下来操作和文件一样，使用write向fifo_test里写数据。
3. 对于fifo_r，我们打开管道的读端fd=open("fifo_test",O_RDONLY)，接下来操作和文件一样，使用read向fifo_test里读数据。

实际演示

源代码：

fifo_w部分：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>

int main()
{
	char p[100]="This is a test about fifo";
	char buf[100];
	int cnt=0;
	int fd=open("fifo_test",O_WRONLY);
	if(fd==-1)
		perror("open file error");
	while(1)
	{
		sprintf(buf,"%s---%d",p,cnt++);
		write(fd,buf,strlen(buf));
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

fifo_r部分：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<string.h>

int main()
{
	int fd=open("fifo_test",O_RDONLY);
	if(fd==-1)
		perror("open file error");
	while(1)
	{
		int res;
		char buf[100];
		res=read(fd,buf,sizeof buf);
		if(res<0)
			perror("read error");
		printf("%s\n",buf);
		sleep(1);
	}
	return 0;
}

效果：

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文件用于进程间通信

原理：

打开的文件是内核中的一块缓冲区。多个无血缘关系的进程，可以同时访问该文件。

总结：

• 只是有血缘关系的进程对于同一个文件，使用的同一个文件描述符。
• 没有血缘关系的进程，对同一个文件使用的文件描述符可能不同。
• 这些都不是问题，打开的是同一个文件就行。

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mmap函数

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。于是从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。
• 与此类似，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，使地址指针完成I/O操作。
• 使用这种方法，首先应该通知内核，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。

函数解读

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:共享内存映射区的大小。（<= 文件的实际大小）
• prot:共享内存映射区的读写属性。
  • PROT_READ：读
  • PROT_WRITE：写
  • PROT_READ|PROT_WRITE：读/写
• flags:标注共享内存的共享属性。
  • MAP_SHARED 修改会反映到磁盘上。
  • MAP_PRIVATE 修改不反映到磁盘上。
• fd:用于创建共享内存映射区的那个文件的 文件描述符。
• offset:默认0，表示映射文件全部。偏移位置。需是 4k 的整数倍。

返回值：

• 成功，映射区的首地址
• 失败，返回宏MAP_FAILED,其实就是void*类型的0.

munmap函数

int munmap(void *addr, size_t length);
作用：释放映射区
参数传的一般和mmap一样即可（这样肯定不会错）。

举个栗子

我们手动传入一个参数（表示映射的文件名），然后建立映射区，通过映射区的首地址来读写。
源代码：

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

int main(int argc,char* argv[])
{
	if(argc==1)
	{
		printf("argument error\n");
		return -1;
	}
	int fd=open(argv[1],O_RDWR| O_CREAT | O_TRUNC,0644);
	ftruncate(fd,100);
	int len=lseek(fd,0,SEEK_END);
	char* ret=mmap(NULL,len,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
	if(ret==MAP_FAILED)
		perror("mmap error");
	char p[100]="This is a test about mmap\n";
	memcpy(ret,p,strlen(p));
	printf("%s",ret);
	close(fd);
	munmap(ret,len);
	return 0;
}	

效果：

注意事项

1. 用于创建映射区的文件大小为 0，实际指定非0大小创建映射区，出 “总线错误”。
2. 用于创建映射区的文件大小为 0，实际制定0大小创建映射区， 出 “无效参数”。
3. 用于创建映射区的文件读写属性为，只读。映射区属性为 读、写。 出 “无效参数”。
4. 创建映射区，需要read权限。当访问权限指定为 “共享”MAP_SHARED时， mmap的读写权限，应该 <=文件的open权限。 只写不行
5. 文件描述符fd，在mmap创建映射区完成即可关闭。后续访问文件，用 地址访问。
6. offset 必须是 4096的整数倍。（MMU 映射的最小单位 4k ）
7. 对申请的映射区内存，不能越界访问。
8. munmap用于释放的 地址，必须是mmap申请返回的地址。
9. 映射区访问权限为 “私有”MAP_PRIVATE, 对内存所做的所有修改，只在内存有效，不会反应到物理磁盘上。
10. 映射区访问权限为 “私有”MAP_PRIVATE, 只需要open文件时，有读权限，用于创建映射区即可。

保险用法

1. fd = open（"文件名"， O_RDWR）;
2. mmap(NULL, 有效文件大小， PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

进阶练习——无血缘关系进程间mmap通信

mmap_w部分：

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

int main()
{
	int fd=open("mmap_test",O_RDWR|O_TRUNC);
	ftruncate(fd,100);
	int len =lseek(fd,0,SEEK_END);
	char* p=mmap(NULL,len,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
	if(p==MAP_FAILED)
		perror("mmap error");
	scanf("%s",p);
	close(fd);
	munmap(p,len);
	return 0;
}

mmap_r部分：

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

int main()
{
	sleep(10);
	int fd=open("mmap_test",O_RDWR);
	int len =lseek(fd,0,SEEK_END);
	char* p=mmap(NULL,len,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
	if(p==MAP_FAILED)
		perror("mmap error");
	printf("%s",p);
	close(fd);
	munmap(p,len);
	return 0;
}

效果：

mmap匿名映射区

匿名映射：只能用于 血缘关系进程间通信。
p = (int *)mmap(NULL, 40, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

总结

1. 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作，所以要求文件必须有读的权限。
2. 当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应该<=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。如，400字节大小的文件，在建立映射区时，offset4096字节，则会报出总线错误.
5. munmap传入的地址一定是mmap返回的地址。坚决杜绝指针++操作,即adrr++.想要操作，先拷贝一份。
6. 文件偏移量必须为4K的整数倍。没有特殊要求就传0.
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。

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写在最后

个人亲身经验：我们学习的一系列Linux命令，一定要自己亲手去敲。不要只是看别人敲代码，不要只是停留在眼睛看，脑袋以为自己懂了，等你实际上手去敲会发现许许多多的这样那样的问题。正可谓“键盘敲烂，月薪过万”

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如果你觉得我写的题解还不错的，请各位王子公主移步到我的其他题解看看

1. 数据结构与算法部分（还在更新中）：

• C++ STL总结 - 基于算法竞赛（强力推荐）
• 动态规划——01背包问题
• 动态规划——完全背包问题
• 动态规划——多重背包问题
• 动态规划——分组背包问题
• 动态规划——最长上升子序列（LIS)
• 二叉树的中序遍历（三种方法）
• 最长回文子串
• 最短路算法——Dijkstra（C++实现）
• 最短路算法———Bellman_Ford算法（C++实现）
• 最短路算法———SPFA算法（C++实现）
• 最小生成树算法———prim算法（C++实现）
• 最小生成树算法———Kruskal算法（C++实现）
• 染色法判断二分图（C++实现）

2. Linux部分（还在更新中）：

• Linux学习之初识Linux
• Linux学习之命令行基础操作
• Linux学习之基础命令（适合小白）
• Linux学习之权限管理和用户管理
• Linux学习之制作静态库和动态库
• Linux学习之makefile
• Linux学习之系统编程1（关于读写系统函数）
• Linux学习之系统编程3（进程及wait函数）

?🎉总结

“种一颗树最好的是十年前,其次就是现在”
所以,
“让我们一起努力吧,去奔赴更高更远的山海”

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