一. 进程简述：
进程是操作系统的概念，每当我们执行一个程序时，对于操作系统来讲就创建了一个进程,在这个过程中，伴随着资源的分配和释放。可以认为进程是一个程序的一次执行过程。
1）Linux下进程结构
Linux下一个进程在内存里有三部分的数据，就是"代码段"、"堆栈段"和"数据段"。其实学过汇编语言的人一定知道，一般的CPU都有上述三种段寄存器，以方便操作系统的运行。
这三个部分也是构成一个完整的执行序列的必要的部分。所以不同的进程间，由于linux系统虚拟内存地址的管理，这三个段也是独立存在的，所以进程间是不能相互访问数据的，需要通过系统提供的特殊方法来进行相互通信。
2）Linux下进程通信的方法：
进程用户空间是相互独立的，一般而言是不能相互访问的。但很多情况下进程间需要互相通信，来完成系统的某项功能。进程通过与内核及其它进程之间的互相通信来协调它们的行为。
比较常用的IPC通信方法有：
管道（有名和无名）、信号、信号量、共享内存、消息队列和套接字socket通信。
3）进程通信使用场景：
（1）数据传输：进程间数据传输；
（2）通知事件：一个进程向另一个或一组进程发送消息，通知某个事件的发生（如子进程终止时需通知父进程）；
（3）资源共享：多个进程共享资源，需要内核提供同步互斥机制；
（4）进程控制：某进程需要控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程需要拦截另一个进程的所有陷入、异常、状态等。
二. 进程通信的方法：
1. 有名管道和无名管道
a. 无名管道（父子进程、兄弟进程间通信）:
---特点：
(1) 半双工。数据同一时刻只能单向传输；
(2) 数据从管道一端写入，另一端读出；
(3) 写入管道的数据遵循先进先出；
(4) 管道非普通文件，不属于某个文件系统，只存在于内存；
(5) 无名管道只能在具有公共祖先的进程（父子进程、兄弟进程等）之间使用。
---操作步骤：
(1)创建: pipe函数用来创建无名管道
(2)操作: read读；write写
(3)关闭操作端口: close
例子程序：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
char buf[32] = {0};
pid_t pid;
// 数量为 2 个：一个读端， 一个写端，
int fd[2] = {-1};
// 创建无名管道
pipe(fd);
printf("fd[0] is %d\n", fd[0]);
printf("fd[2] is %d\n", fd[1]);
// 创建进程
pid = fork();
if (pid < 0)
{
printf("error\n");
}
if (pid > 0)
{
int status;
close(fd[0]);
write(fd[1], "hello", 5);
close(fd[1]);
wait(&status);
exit(0);
}
if (pid == 0)
{
close(fd[1]);
read(fd[0], buf, 32);
printf("buf is %s\n", buf);
close(fd[0]);
exit(0);
}
return 0;
}
b. 有名管道(允许无亲缘关系进程间的通信)。
----特点：
(1) 它可以使互不相关的两个进程实现彼此通信
(2) 该管道可以通过路径名来指出，并且在文件系统中是可见的。在建立管道之后，两个进程就可以把它当作普通文件进行读写，使用非常方便。
(3) FIFO严格遵循先进先出原则，对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。有名管道不支持如Iseek()等文件的定位操作。
---操作步骤：
(1) 创建有名管道文件: mkfifo即是命令也是函数；mknod也可以创建管道文件;
(2) 打开有名管道: open;
(3) 读/写: read/write
(4) 关闭: close
例子程序：
(1)named_pipe_write.c:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
int ret;
char buf[32] = {0};
int fd;
if (argc < 2)
{
printf("Usage:%s \n", argv[0]);
return -1;
}
if (access(argv[1], F_OK) == -1)
{
///创建有名管道文件
ret = mkfifo(argv[1], 0666);
if (ret == -1)
{
printf("mkfifo is error \n");
return -2;
}
printf("mkfifo is ok \n");
}
///打开有名管道文件
fd = open(argv[1], O_WRONLY);
while (1)
{
sleep(1);
write(fd, "hello", 5);
}
close(fd);
return 0;
}
(2) named_pipe_read.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
char buf[32] = {0};
int fd;
if (argc < 2)
{
printf("Usage:%s \n", argv[0]);
return -1;
}
///打开有名管道，write已经创建的文件；
fd = open(argv[1], O_RDONLY);
while (1)
{
sleep(1);
read(fd, buf, 32);
printf("buf is %s\n", buf);
memset(buf, 0, sizeof(buf));
}
close(fd);
return 0;
}
2.信号量
1) 概念和原理：
信号量是一种计数器，用于控制对共享资源的访问。每次进程访问共享资源时，都要先获取一个信号量，如果信号量的值大于0，
则进程可以继续访问，否则进程需要等待。访问完成后，进程会释放信号量，使其值加1，以便其他进程访问；
2） 相关函数：
linux系统提供如下函数来对信号量值进行操作的，包括的头文件为sys/sem.h。
--semget函数：创建一个新信号量或者获取一个已有的信号量的键
--semop函数： 对信号量进行改变，做p或者v操作
--semctl函数：用来直接控制信号量信息
--删除信号量：ipcrm -s id
3）例子程序：
---增加信号量的值例子(sempore_add.c )： //=============================sempore_add.c==========================
#include
#include
#include
#include
#define KEY 1234
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
ushort *array;
};
int main()
{
int semid = semget(KEY, 1, IPC_CREAT | 0666);
if (semid < 0) {
perror("semget error");
return 1;
}
union semun arg;
arg.val = 1;
if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) < 0) {
perror("semctl error");
return 1;
}
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0;
buf.sem_op = 1;
buf.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(semid, &buf, 1) < 0) {
perror("semop error");
return 1;
}
printf("Semaphore value: %d\n", semctl(semid, 0, GETVAL, arg));
return 0;
}
---减少信号量的值例子（sempore_sub.c）：
//=============================sempore_sub.c==========================
#include
#include
#include
#include
#define KEY 1234
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
ushort *array;
};
int main()
{
int semid = semget(KEY, 1, IPC_CREAT | 0666);
if (semid < 0) {
perror("semget error");
return 1;
}
union semun arg;
arg.val = 1;
if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) < 0) {
perror("semctl error");
return 1;
}
struct sembuf buf;
buf.sem_num = 0;
buf.sem_op = -1;
buf.sem_flg = SEM_UNDO;
if (semop(semid, &buf, 1) < 0) {
perror("semop error");
return 1;
}
printf("Semaphore value: %d\n", semctl(semid, 0, GETVAL, arg));
////销毁信号量
if (semctl(semid, 0, IPC_RMID, 0) < 0) {
perror("semctl error");
return 1;
}
printf("Semaphore destroyed\n");
return 0;
}
3.信号
（1）信号概念和原理：
信号是一种异步通信方式，当进程接收到一个信号时，会打断当前的执行，转而执行与该信号相关联的信号处理函数。 比较类似软中断。但信号和中断有所不同，中断的响应和处理都发生在内核空间，而信号的响应发生在内核空间， 信号处理程序的执行却发生在用户空间。
Linux提供了许多信号，如SIGINT、SIGTERM、SIGKILL等，可以在linux系统 Shell 中查看所有信号和对应的编号：kill -l
（2）主要函数：
a. void (*signal(int sig,void (*func)(int)))(int);
说明：绑定收到某个信号后 的回调函数.第一个参数为信号，第二个参数为对此信号挂接用户自己的处理函数指针。 返回值为以前信号处理程序的指针。例子：int ret = signal(SIGSTOP, sig_handle);
b. int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);
说明：由于 signal 不够健壮，推荐使用 sigaction 函数，sigaction 函数重新实现了 signal 函数
c. int kill(pid_t pid,int sig);
说明：kill函数向进程号为pid的进程发送信号，信号值为sig。当pid为0时，向当前系统的所有进程发送信号sig。
kill的pid参数有四种情况：
---pid>0, 则发送信号sig给进程号为pid的进程
---pid=0，则发送信号sig给当前进程所属组中的所有进程
---pid=-1,则发送信号sig给除1号进程与当前进程外的所有进程
---pid<-1,则发送信号sig给属于进程组pid的所有进程
例子：结束父进程 kill(getppid(), SIGKILL);
d. int raise(int sig);
说明: 向当前进程中自举一个信号sig, 即向当前进程发送信号。相当于 kill(getpid(),sig);
e. unsigned int alarm(unsigned int seconds);
说明: 用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds指定的秒数后传送给目前的进程. 如果参数seconds为0,则之前设置的闹钟会被取消,并将剩下的时间返回
f. int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
说明：用于向指定的进程发送特定的信号，并且可以传递一个额外的数据值。它提供了比 kill 函数更丰富的功能，可以用于进程间的高级通信。
(3)例子程序：
-----------------signal_receiver.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void signal_Handle(int sig, siginfo_t* info, void* ucontext)
{
printf("handler : sig = %d\n", sig);
printf("handler : info->si_signo = %d\n", info->si_signo);
printf("handler : info->si_code = %d\n", info->si_code);
printf("handler : info->si_pid = %d\n", info->si_pid);
printf("handler : info->si_value = %d\n", info->si_value.sival_int);
}
int main(int argc, char** argv)
{
printf("pid :%d\n", getpid());
struct sigaction act = {0};
act.sa_sigaction = signal_Handle;
act.sa_flags = SA_RESTART | SA_SIGINFO;
/* 添加信号屏蔽字 */
/* 下面信号在信号处理程序执行时会被暂时阻塞 */
sigaddset(&act.sa_mask, 40);
sigaddset(&act.sa_mask, SIGINT);
/* 设置信号的处理行为，设置后40和SIGINT信号将由act里面的信号处理函数处理 */
sigaction(40, &act, NULL);
sigaction(SIGINT, &act, NULL);
while(1)
{
sleep(1);
}
return 0;
}
-----------------signal_sender.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char** argv)
{
pid_t pid = atoi(argv[1]);
union sigval sv = {123456};
//向指定pid发送信号；
sigqueue(pid, 40, sv);
raise(SIGINT);
return 0;
}
4.消息队列
(1)概念和原理：
消息队列是一种进程间通信的方式，允许一个进程向另一个进程发送消息。它是一种异步通信方式，发送方发送消息后即可继续执行，不必等待接收方的响应。
原理如下图所示：
（2）特点：
---消息队列是消息的链表，存放于内存中，内核维护消息队列；
---消息队列中的消息是有类型和格式的；
---消息队列可实现消息随机查询，不一定要遵循先进先出的顺序，而是每个进程可以按照自定义的类型进行读取；
---与管道相同，读出数据后，消息队列对应数据会被删除；
---每个管道都有消息队列标识符，在整个系统中是唯一的；
---消息队列允许一个或者多个进程向它写入或者读取数据；
---内核重启或者人为删除才会删除消息队列，否则会一直存在与系统中
(3) 相关函数：
a. key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
说明：获取系统唯一Key值（IPC键值），系统中可能会存在许多的消息队列，通过Key这个系统唯一值，可以选择想要进入的消息队列；
b. int msgget(key_t key, int msgflg);
说明:创建或者打开一个新的消息队列。即使进程不同，但是如果key值是相同的，那么也可以进入相同的消息队列，返回相同的消息队列标识符,
c. 查看消息队列的一些Linux命令:
ipcs -q : 查看当前进程间通信之消息队列
ipcrm -q 队列号: 删除指定的消息队列；
d. int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
说明: 将新消息添加到消息队列;
e. ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
说明： 从指定的消息队列标识符中接受信息，同时一旦接受成功，从消息队列中删除该信息。
f. int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
说明：对消息队列进行修改，修改属性或者删除消息队列等
(3）例子程序：
-----------------message_sender.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
#include
//定义消息
struct mess
{
long type;
char data[128];
};
int main()
{
key_t key;
///创建生成唯一的key;
if ((key = ftok("/home/tmp", 'a')) == -1) {
perror("ftok");
exit(1);
}
int msgid=msgget((key_t)key,IPC_CREAT|0600);
if(msgid==-1)
{
exit(0);
}
struct mess dt;
dt.type=1;
strcpy(dt.data,"hello1");
//1号消息内容hello1
msgsnd(msgid,(void*)&dt,128,0);//标志位0
}
-----------------message_reader.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
struct mess
{
long type;
char data[128];
};
int main()
{
int msgid=msgget((key_t)1235,IPC_CREAT|0600);
if(msgid==-1)
{
exit(0);
}
struct mess dt;
msgrcv(msgid,(void*)&dt,128,1,0);
printf("%s",dt.data);
///删除队列
if (msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
perror("msgctl");
exit(1);
}
}
5.共享内存
(1)概念：
共享内存是一种高效的IPC机制，是最快的进程间通信方式，很多追求效率的程序之间进行通信的时候都会选择它；它允许多个进程共享同一个物理内存区域，从而避免了数据拷贝和进程切换的开销。
原理如下图所示：
（2）共享内存的建立与释放：
---共享内存的建立大致包括以下两个过程：
a.在物理内存当中申请共享内存空间;
b.将申请到的共享内存挂接到地址空间，即建立映射关系;
---共享内存的释放大致包括以下两个过程：
a. 将共享内存与地址空间去关联，即取消映射关系。
b. 释放共享内存空间，即将物理内存归还给系统。
(3)相关函数：
a.key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
说明：这个返回的key值可以传给共享内存参数，作为struct ipc_perm中唯一标识共享内存的key;
b. int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
说明：共享内存的创建；
c. void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)
说明：将共享内存连接到进程地址空间，shmat函数的第三个参数shmflg有以下三个选项：
SHM_RDONLY: 关联共享内存后只进行读取操作
SHM_RND:若shmaddr不为NULL，则关联地址自动向下调整为SHMLBA的整数倍。
0: 默认为读写权限
d. int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
说明：控制共享内存，cmd如下：
IPC_STAT: 获取共享内存的当前关联值，此时参数buf作为输出型参数
IPC_SET: 在进程有足够权限的前提下，将共享内存的当前关联值设置为buf所指的数据结构中的值
IPC_RMID: 删除共享内存段;
e. int shmdt(const void *shmaddr)
说明：取消共享内存与进程地址空间之间的关联
（3）内存共存相关的系统命令：
---查看共享内存命令：ipcs -m
---删除共享内存命令：ipcrm -m
(4）例子程序：共享内存数据读；
//shm_server.c
-----------------shm_server.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PATHNAME "/home/IPC/shm/server.c" //路径名
#define PROJ_ID 0x6666 //整数标识符
int main()
{
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID); //获取key值
if (key < 0){
perror("ftok");
return 1;
}
int shm = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666); //创建新的共享内存
if (shm < 0){
perror("shmget");
return 2;
}
printf("key: %x\n", key); //打印key值
printf("shm: %d\n", shm); //打印共享内存用户层id
char* mem = shmat(shm, NULL, 0); //关联共享内存
while (1)
{
//服务端不断读取共享内存当中的数据并输出
while (1)
{
printf("client# %s\n", mem);
sleep(1);
}
}
shmdt(mem); //共享内存去关联
shmctl(shm, IPC_RMID, NULL); //释放共享内存
return 0;
}
客户端: 共享内存数据写；
-----------------shm_client.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PATHNAME "/home/IPC/shm/server.c" //路径名
#define PROJ_ID 0x6666 //整数标识符
int main()
{
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID); //获取与server进程相同的key值
if (key < 0){
perror("ftok");
return 1;
}
int shm = shmget(key, SIZE, IPC_CREAT); //获取server进程创建的共享内存的用户层id
if (shm < 0){
perror("shmget");
return 2;
}
printf("key: %x\n", key); //打印key值
printf("shm: %d\n", shm); //打印共享内存用户层id
char* mem = shmat(shm, NULL, 0); //关联共享内存
int i = 0;
while (1)
{
//客户端不断向共享内存写入数据
int i = 0;
while (1)
{
mem[i] = 'A' + i;
i++;
mem[i] = '\0';
sleep(1);
}
}
shmdt(mem); //共享内存去关联
return 0;
}
6.套接字
(1)概念和原理：
套接字是一种用于网络通信的编程接口， 也是一种特殊的IPC通信机制，一般分为两种角色：客户端和服务器 ，既可以在本机不同进程间通信，也可以在跨网络不同的多台主机间通信，可以一对多。
流程如下图：
(2)相关函数：
a. int tcp_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
说明：创建Socket函数创建一个Socket对象，并指定通信协议和类型（流式或数据报式）。 IPPROTO_TCP表示TCP协议
b. int bind(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen); //Linux
说明：绑定地址，使用 bind 函数将 Socket 绑定到一个特定的IP地址和端口号上。
c. listen;
说明：设置监听，等待接收client端连接请求；
d. int accept(int sock, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);
说明：接受连接，对于流式 Socket，使用 accept 函数接受客户端的连接请求，并返回一个新的Socket对象用于与客户端进行通信。 对于数据报式Socket，可以省略此步骤。
e. int connect(int sock, struct sockaddr *serv_addr, socklen_t addrlen);
说明：连接指定IP和端口的服务器
f. ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
或ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t nbytes);
说明：数据发送；
g. ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
或 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t nbytes);
说明：数据接收；
h. int close(int fd) ;
说明：关闭连接，使用 close 函数关闭Socket连接。
(3）例子程序：
本地socket 通信 服务端程序：
----------------local_socket_server.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define QLEN 10
#define IPC_SOCKET_PATH "ipctest.socket"
int serv_listen(const char *name)
{
int fd, len, err, rval;
struct sockaddr_un un;
/* create a UNIX domain stream socket */
if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
return(-1);
/* in case it already exists */
unlink(name);
/* fill in socket address structure */
memset(&un, 0, sizeof(un));
un.sun_family = AF_UNIX;
strcpy(un.sun_path, name);
len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(name);
/* bind the name to the descriptor */
if (bind(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0) {
rval = -2;
goto errout;
}
if (listen(fd, QLEN) < 0) { /* tell kernel we're a server */
rval = -3;
goto errout;
}
return(fd);
errout:
err = errno;
close(fd);
errno = err;
return(rval);
}
int serv_accept(int listenfd, uid_t *uidptr)
{
int clifd, len, err, rval;
time_t staletime;
struct sockaddr_un un;
struct stat statbuf;
len = sizeof(un);
if ((clifd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&un, &len)) < 0)
return(-1); /* often errno=EINTR, if signal caught */
/* obtain the client's uid from its calling address */
len -= offsetof(struct sockaddr_un, sun_path); /* len of pathname */
un.sun_path[len] = 0; /* null terminate */
if (stat(un.sun_path, &statbuf) < 0) {
rval = -2;
goto errout;
}
if (S_ISSOCK(statbuf.st_mode) == 0) {
rval = -3; /* not a socket */
goto errout;
}
if (uidptr != NULL)
*uidptr = statbuf.st_uid; /* return uid of caller */
/* we're done with pathname now */
unlink(un.sun_path);
return(clifd);
errout:
err = errno;
close(clifd);
errno = err;
return(rval);
}
///////////////////////////main ////////////////////////////////
int main(void)
{
int lfd, cfd, n, i;
uid_t cuid;
char buf[1024];
lfd = serv_listen(IPC_SOCKET_PATH);
if (lfd < 0) {
switch (lfd) {
case -3:perror("listen"); break;
case -2:perror("bind"); break;
case -1:perror("socket"); break;
}
exit(-1);
}
cfd = serv_accept(lfd, &cuid);
if (cfd < 0) {
switch (cfd) {
case -3:perror("not a socket"); break;
case -2:perror("a bad filename"); break;
case -1:perror("accept"); break;
}
exit(-1);
}
while (1)
{
n = read(cfd, buf, 1024);
if (n == -1) {
if (errno == EINTR)
break;
}
else if (n == 0) {
printf("the other side has been closed.\n");
break;
}
////send back data to client
for (i = 0; i < n; i++)
{ buf[i] = toupper(buf[i]);
write(cfd, buf, n);
}
}
close(cfd);
close(lfd);
return 0;
}
本地socket 通信 客户端程序：
----------------local_socket_client.c ------------------------------
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define CLI_PATH "/var/tmp/" /* +5 for pid = 14 chars */
#define IPC_SOCKET_PATH "ipctest.socket"
/*
* Create a client endpoint and connect to a server.
* Returns fd if all OK, <0 on error.
*/
int cli_conn(const char *name)
{
int fd, len, err, rval;
struct sockaddr_un un;
/* create a UNIX domain stream socket */
if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
return(-1);
/* fill socket address structure with our address */
memset(&un, 0, sizeof(un));
un.sun_family = AF_UNIX;
sprintf(un.sun_path, "%s%05d", CLI_PATH, getpid());
len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(un.sun_path);
/* in case it already exists */
unlink(un.sun_path);
if (bind(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0) {
rval = -2;
goto errout;
}
/* fill socket address structure with server's address */
memset(&un, 0, sizeof(un));
un.sun_family = AF_UNIX;
strcpy(un.sun_path, name);
len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(name);
if (connect(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0) {
rval = -4;
goto errout;
}
return(fd);
errout:
err = errno;
close(fd);
errno = err;
return(rval);
}
///////////////////////////main ////////////////////////////////
int main(void)
{
int fd, n;
char buf[1024];
fd = cli_conn(IPC_SOCKET_PATH);
if (fd < 0) {
switch (fd) {
case -4:perror("connect"); break;
case -3:perror("listen"); break;
case -2:perror("bind"); break;
case -1:perror("socket"); break;
}
exit(-1);
}
while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL) {
write(fd, buf, strlen(buf));
n = read(fd, buf, sizeof(buf));
write(STDOUT_FILENO, buf, n);
}
close(fd);
return 0;
}
不同主机端的套接字IPC通信属于网络通信话题，这里就不再详细论述了。
