Linux進程間通信--進程，信號，管道，消息隊列，信號量，共享內存

參考：《linux編程從入門到精通》,《Linux C程序設計大全》,《unix環(huán)境高級編程》

參考：C和指針學習?

說明：本文非常的長，也是為了便于查找和比較，所以放在一起了

Linux 傳統(tǒng)的進程間通信有很多，如各類管道、消息隊列、內存共享、信號量等等。但它們都無法介于內核態(tài)與用戶態(tài)使用，原因如表

通信方法無法介于內核態(tài)與用戶態(tài)的原因管道（不包括命名管道）局限于父子進程間的通信。消息隊列在硬、軟中斷中無法無阻塞地接收數(shù)據(jù)。信號量無法介于內核態(tài)和用戶態(tài)使用。內存共享需要信號量輔助，而信號量又無法使用。套接字在硬、軟中斷中無法無阻塞地接收數(shù)據(jù)。

一.進程

1.進程表

ps顯示正在運行的進程

# ps -ef

TIME 進程目前占用的cpu時間，CMD顯示啟動進程所使用的命令

#ps ax

STAT表明進程的狀態(tài)

S 睡眠，s進程是會話期首進程；R 運行；D 等待；T 停止；Z 僵尸；N 低優(yōu)先級任務,nice；W 分頁；

+進程屬于前臺進程組；l 進程是多線程；<高優(yōu)先級任務

#ps -l ?或#ps -al

表現(xiàn)良好的程序為nice程序，系統(tǒng)根據(jù)進程的nice值決定他的優(yōu)先級

-f是長格式

2.父子進程id

pid當前進程的；

uid當前進程的實際用戶

eid當前進程的有效用戶

#include

運行結果：

3.設置進程組id以及進程sleep

setpgid使當前進程為新進程組的組長

#include

說明：setpgid(0,0)等價于setpgrp(0,0)

setpgid(0,0)第1個參數(shù)用于指定要修改的進程id。如果為0，則指當前進程。第2個參數(shù)用于指定新的進程組id。如果為0，則指當前進程。

先運行程序

#./example13_2

再查看進程

#ps alef

#ps -ao pid,pgrp,cmd|grep 13_2 ?

或者

#ps -ao pid,pgrp,cmd

4.子進程

fork為0說明是父進程

#include

輸出

fork...
AA

注意：?

警告： 隱式聲明與內建函數(shù) ‘exit’ 不兼容?
警告： 隱式聲明與內建函數(shù) ‘sprintf’ 不兼容???
警告： 隱式聲明與內建函數(shù) ‘printf’ 不兼容
加入這兩個頭文件就可以了！
#include

#ps -ao pid,pgrp,cmd

3165就是子進程

#ps alef

5.進程會話

setsid的調用進程應該不是某個進程組的組長進程；

setsid調用成功后生成新會話，新會話id是調用進程的進程id；

新會話只包含一個進程組一個進程即調用進程，沒有控制終端。

setid主要是實現(xiàn)進程的后臺運行

#include

修改后的程序

#include

父進程必須調用wait等待子進程推出，如果沒有子進程退出exit，則wait進入阻塞！

6.進程的控制終端

#tty

在secureCRT中觀看其他的會輸出

/dev/pts/1等依次類推

#ps -ax

查看進程的控制終端

有列tty的就是控制終端，有值表明進程有控制終端，無則表明是后臺進程。

延伸：php的POSIX 函數(shù)以及進程測試

7.進程的狀態(tài)

可運行；

等待；

暫停；

僵尸；

進程在終止前向父進程發(fā)送SIGCLD信號，父進程調用wait等待子進程的退出！

如果，父進程沒有調用wait而子進程已經退出，那么父進程成為僵尸進程；

如果，父進程沒有等子進程退出自己已經先退出，那么子進程成為孤兒進程；

通過top命令看到

8.進程的優(yōu)先級

優(yōu)先級數(shù)值越低，則優(yōu)先級越高！

優(yōu)先級由優(yōu)先級別（PR）+進程的謙讓值（NI） ?聯(lián)合確定。

PR值是由父進程繼承而來，是不可修改的。

Linux提供nice系統(tǒng)調用修改自身的NI值；setpriority系統(tǒng)調用可以修改其他進程以及進程組的NI值。

#include

輸出：

priority is 3

9.用fork創(chuàng)建進程

調用fork一次返回2次，分別在父進程和子進程中返回，父進程中其返回值是子進程的進程標識符，子進程中其返回值是0。

#include

（注意保存為UTF-8格式，因為有中文）

輸出：

10.vfork和fork之間的區(qū)別

vfork用于創(chuàng)建一個新進程，而該新進程的目的是exec一個新進程，vfork和fork一樣都創(chuàng)建一個子進程，但是它并不將父進程的地址空間完全復制到子進程中，不會復制頁表。因為子進程會立即調用exec，于是也就不會存放該地址空間。不過在子進程中調用exec或exit之前，他在父進程的空間中運行。
為什么會有vfork，因為以前的fork當它創(chuàng)建一個子進程時，將會創(chuàng)建一個新的地址空間，并且拷貝父進程的資源，而往往在子進程中會執(zhí)行exec調用，這樣，前面的拷貝工作就是白費力氣了，這種情況下，聰明的人就想出了vfork，它產生的子進程剛開始暫時與父進程共享地址空間（其實就是線程的概念了），因為這時候子進程在父進程的地址空間中運行，所以子進程不能進行寫操作，并且在兒子“霸占”著老子的房子時候，要委屈老子一下了，讓他在外面歇著（阻塞），一旦兒子執(zhí)行了exec或者exit后，相當于兒子買了自己的房子了，這時候就相當于分家了。
vfork和fork之間的另一個區(qū)別是： vfork保證子進程先運行，在她調用exec或exit之后父進程才可能被調度運行。如果在調用這兩個函數(shù)之前子進程依賴于父進程的進一步動作，則會導致死鎖。
由此可見，這個系統(tǒng)調用是用來啟動一個新的應用程序。其次，子進程在vfork()返回后直接運行在父進程的棧空間，并使用父進程的內存和數(shù)據(jù)。這意味著子進程可能破壞父進程的數(shù)據(jù)結構或棧，造成失敗。
為了避免這些問題，需要確保一旦調用vfork()，子進程就不從當前的?？蚣苤蟹祷?，并且如果子進程改變了父進程的數(shù)據(jù)結構就不能調用exit函數(shù)。子進程還必須避免改變全局數(shù)據(jù)結構或全局變量中的任何信息，因為這些改變都有可能使父進程不能繼續(xù)。
通常，如果應用程序不是在fork()之后立即調用exec()，就有必要在fork()被替換成vfork()之前做仔細的檢查。
用fork函數(shù)創(chuàng)建子進程后，子進程往往要調用一種exec函數(shù)以執(zhí)行另一個程序，當進程調用一種exec函數(shù)時，該進程完全由新程序代換，而新程序則從其main函數(shù)開始執(zhí)行，因為調用exec并不創(chuàng)建新進程，所以前后的進程id 并未改變，exec只是用另一個新程序替換了當前進程的正文，數(shù)據(jù)，堆和棧段。

11.exec

清除父進程的可執(zhí)行代碼影像，用新代碼覆蓋父進程。

參考：Linux exec與重定向

#include

12.system創(chuàng)建進程

system系統(tǒng)調用是為了方便調用外部程序，執(zhí)行完畢后返回調用進程。

#include

輸出：

13.退出進程

調用exit退出進程

調用wait等待進程退出

#include

輸出：

二.信號

信號又稱軟終端，通知程序發(fā)生異步事件，程序執(zhí)行中隨時被各種信號中斷，進程可以忽略該信號，也可以中斷當前程序轉而去處理信號，引起信號原因：

1).程序中執(zhí)行錯誤碼；

2).其他進程發(fā)送來的；

3).用戶通過控制終端發(fā)送來；

4).子進程結束時向父進程發(fā)送SIGCLD；

5).定時器生產的SIGALRM；

1.信號分類

#kill -l

獲取信號列表，信號值) ?信號名

1-31是不可靠信號（可能丟失）；32-64是可靠信號（操作系統(tǒng)保證不丟失）

信號列表參考：http://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/7494565

信號安裝：定義進程收到信號后的處理方法

signal系統(tǒng)調用安裝信號

#include

輸出：

按Ctrl+C

receive signal 2

sigaction系統(tǒng)調用(更多的控制，完全可以替代signal)

#include

輸出：

按Ctrl+C

receive signal 2,addtional data is 12364176

2.信號處理方式3種：

1.忽略信號-大多可以忽略，只有SIGKILL和SIGSTOP除外；

2.捕捉信號-先安裝

3.默認操作

3.信號阻塞

阻塞是指系統(tǒng)內核暫停向進程發(fā)送指定信號，由內核對進程接收到的信號緩存，直到解除阻塞為止。

信號3種進入阻塞的情況：

1.信號處理函數(shù)執(zhí)行過程中，該信號將阻塞；

2.通過sigaction信號安裝，如果設置了sa_mask阻塞信號集；

3.通過系統(tǒng)調用sigprocmask

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set, sigset_t *oldset);

參數(shù)：
how：用于指定信號修改的方式，可能選擇有三種

SIG_BLOCK //加入信號到進程屏蔽。
SIG_UNBLOCK //從進程屏蔽里將信號刪除。
SIG_SETMASK //將set的值設定為新的進程屏蔽。

set：為指向信號集的指針，在此專指新設的信號集，如果僅想讀取現(xiàn)在的屏蔽值，可將其置為NULL。
oldset：也是指向信號集的指針，在此存放原來的信號集。

#include

輸出：如果不輸入Ctrl+C則10秒后程序結束；如果期間有Ctrl+C則會10秒結束，之后輸出Creceive signal 2

注意：子進程會繼承父進程的信號掩碼

4.信號集操作

對信號集中所有信號處理

數(shù)據(jù)類型 sigset_t

清空信號集sigemptyset

信號集填充全部信號sigfillset

信號集增加信號sigaddset

信號集中刪除信號sigdelset

判斷信號集是否包含某信號的sigismember

5.未決信號

信號產生后到信號被接收進程處理前的過渡狀態(tài)，未決狀態(tài)時間很短。

sigprocmask阻塞某種信號，則向進程發(fā)送這種信號處于未決狀態(tài)。

sigpending獲取當前進程中處于未決狀態(tài)的信號

#include

6.等待信號

阻塞式系統(tǒng)如果沒有符合條件的數(shù)據(jù)將休眠，直到數(shù)據(jù)到來，例如socket上讀取數(shù)據(jù)。有2種狀態(tài)可以中斷該操作

1.網絡上有數(shù)據(jù)，讀操作獲取數(shù)據(jù)后返回

2.當前進程接收信號，讀操作被中斷返回失敗，錯誤碼errno為EINTR

pause系統(tǒng)調用可以讓程序暫停執(zhí)行進入休眠，等待信號到來。

#include

7.信號發(fā)送

兩種方式

kill 不可附加數(shù)據(jù)

sigqueue?可附加數(shù)據(jù)

#include

輸出：receive addtional data is 123

8.sigalarm信號

阻塞式系統(tǒng)調用，為避免無限期等待，可以設置定時器信號，alarm調用

#include

輸出：

SIGALRM received.
Pause time out.

9.sigcld信號

父進程捕獲子進程的退出信號

子進程發(fā)送SIGCLD信號進入僵尸狀態(tài)；父進程接收到該信號處理，子進程結束

#include

輸出：

三.管道

單向，一段輸入，另一端輸出，先進先出FIFO。管道也是文件。管道大小4096字節(jié)。

特點：管道滿時，寫阻塞；空時，讀阻塞。

分類：普通管道（僅父子進程間通信）位于內存，命名管道位于文件系統(tǒng)，沒有親緣關系管道只要知道管道名也可以通訊。

1.pipe建立管道

#include

執(zhí)行

#./a.out ? www

輸出

#www

2.dup

#include

輸出：129

?

Linux execlp函數(shù)

說明：相當于執(zhí)行# ls -l |wc -l 統(tǒng)計當前目錄下文件數(shù)量；ls -l 列出當前文件詳細信息；wc -l

wc參考http://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/7515442

linux命令集錦http://blog.csdn.net/21aspnet/article/details/1534099

linux常用命令http://linux.chinaitlab.com/special/linuxcom/

3.popen() 函數(shù)

用于創(chuàng)建一個管道，其內部實現(xiàn)為調用 fork 產生一個子進程，執(zhí)行一個 shell 以運行命令來開啟一個進程，這個進程必須由 pclose() 函數(shù)關閉。
#include

4.命名管道

mknod

mknod 管道名稱 p

#include

mkfifo

mkfifo -m 權限?管道名稱

#include

mknod和mkfifo的區(qū)別

mknod系統(tǒng)調用會產生由參數(shù)path鎖指定的文件，生成文件類型和訪問權限由參數(shù)mode決定。

在很多unix的版本中有一個C庫函數(shù)mkfifo，與mknod不同的是多數(shù)情況下mkfifo不要求用戶有超級用戶的權限

利用命令創(chuàng)建命名管道p1.

#mkfifo -m 0644 p1

#mknod p2 p

#ll

#include

5.管道讀寫

通過open打開，默認是阻塞方式打開，如果open指定O_NONBLOCK則以非阻塞打開。

O_NONBLOCK和O_NDELAY所產生的結果都是使I/O變成非擱置模式(non-blocking)，在讀取不到數(shù)據(jù)或是寫入緩沖區(qū)已滿會馬上return，而不會擱置程序動作，直到有數(shù)據(jù)或寫入完成。


它們的差別在于設立O_NDELAY會使I/O函式馬上回傳0，但是又衍生出一個問題，因為讀取到檔案結尾時所回傳的也是0，這樣無法得知是哪中情況；因此，O_NONBLOCK就產生出來，它在讀取不到數(shù)據(jù)時會回傳-1，并且設置errno為EAGAIN。


不過需要注意的是，在GNU C中O_NDELAY只是為了與BSD的程序兼容，實際上是使用O_NONBLOCK作為宏定義，而且O_NONBLOCK除了在ioctl中使用，還可以在open時設定。

#include

? // if((fd = open("p1",O_WRONLY,0)) < 0)//只寫打開管道
? ? {
? ? ? ? perror("open");
? ? ? ? exit(-1);
? ? }
? ? printf("open fifo p1 for write success!n");
? ? close(fd);
}

四.IPC對象

查看ipc對象信息

#ipcs

查看全部ipc對象信息

#ipcs -a

查看消息隊列信息

#ipcs -q

查看共享內存信息

#ipcs -m

查看信號量信息

#ipcs -s

刪除IPC對象的ipcrm

ipcrm -[smq] ID 或者ipcrm -[SMQ] Key

-q ?-Q刪除消息隊列信息 ?例如ipcrm -q 98307

-m -M刪除共享內存信息

-s -S刪除信號量信息

ftok函數(shù)

產生一個唯一的關鍵字值

ftok原型如下：
key_t ftok( char * fname, int id )


fname就是你指定的文件名(該文件必須是存在而且可以訪問的)，id是子序號，雖然為int，但是只有8個比特被使用(0-255)。


當成功執(zhí)行的時候，一個key_t值將會被返回，否則 -1 被返回。


? ?在一般的UNIX實現(xiàn)中，是將文件的索引節(jié)點號取出，前面加上子序號得到key_t的返回值。如指定文件的索引節(jié)點號為65538，換算成16進制為 0x010002，而你指定的ID值為38，換算成16進制為0x26，則最后的key_t返回值為0x26010002。
查詢文件索引節(jié)點號的方法是： ls -i


以下為測試程序：
ftok.c
#include

#./a.out

五.消息隊列

消息隊列是先進先出FIFO原則

1.消息結構模板

strut msgbuf
{
long int ?mtype;//消息類型
char mtext[1];//消息內容
}

2.msgget創(chuàng)建消息

#include

#include

3.msgsnd消息發(fā)送

int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t length, int flag);
此函數(shù)發(fā)送消息到指定的消息對列

#include

隊列中已經有一條消息，長度6字節(jié)

4.msgrcv消息發(fā)送

#include

輸出：

msgrcv return length=[6] text=[123456]

5.msgctl控制消息

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
消息隊列控制函數(shù)
其中msqid為消息隊列描述符
cmd有以下三種：
IPC_RMID：刪除msgid指定的消息隊列，當前在該隊列上的任何消息都被丟棄，對于該命令，buf參數(shù)可忽略
IPC_SET:設置消息隊列msgid_ds結構體的四個成員：msg_perm.uid，msg_perm_gid，msg_perm.mode和msg_qbytes。它們的值來自由buf指向的結構體中的相應成員。
IPC_STAT:給調用者通過buf返回指定消息隊列當前對應msgid_ds結構體
函數(shù)執(zhí)行成功返回0，失敗返回-1

#include

說明： (~0222)取反后做與實際上就是去除其他用戶的寫權限，在C語言中，八進制常用用前綴表示

六.共享內存

共享內存是分配一塊能被其他進程訪問的內存，實現(xiàn)是通過將內存去映射到共享它的進程的地址空間，使這些進程間的數(shù)據(jù)傳送不再涉及內核，即，進程間通信不需要通過進入內核的系統(tǒng)調用來實現(xiàn)；

共享內存與其他的進程間通信最大的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)的復制只有兩次，一次是從輸入文件到共享內存區(qū)，一次從共享內存區(qū)到輸出文件

而其他的則是需要復制4次：服務器將輸入文件讀入自己的進程空間，再從自己的進程空間寫入管道/消息隊列等；客戶進程從管道/消息隊列中讀出數(shù)據(jù)到自己的進程空間，最后輸出到客戶指定的文件中；

要使用共享內存，應該有如下步驟:
1.開辟一塊共享內存 ? ? shmget()
2.允許本進程使用共某塊共享內存 ?shmat()
3.寫入/讀出
4.禁止本進程使用這塊共享內存 ? shmdt()
5.刪除這塊共享內存 ? ? shmctl()或者命令行下ipcrm

1.shmget創(chuàng)建共享內存

#include

int ? ?shmget( key_t shmkey , int shmsiz , int flag );

shmget()是用來開辟/指向一塊共享內存的函數(shù)。參數(shù)定義如下：
key_t shmkey 是這