linux下的進程通信手段基本上是從Unix平臺上的進程通信手段繼承而來的。而對Unix發展做出重大貢獻的兩大主力AT&T的貝爾實驗室及BSD(加州大學伯克利分校的伯克利軟件發布中心)在進程間通信方面的側重點有所不同。前者對Unix早期的進程間通信手段進行了系統的改進和擴充,形成了“system V IPC”,通信進程局限在單個計算機內;后者則跳過了該限制,形成了基于套接口(socket)的進程間通信機制。Linux則把兩者繼承了下來,如圖示:
其中,最初Unix IPC包括:管道、FIFO、信號;System V IPC包括:System V消息隊列、System V信號燈、System V共享內存區;Posix IPC包括:Posix消息隊列、Posix信號燈、Posix共享內存區。有兩點需要簡單說明一下:
1)由于Unix版本的多樣性,電子電氣工程協會(IEEE)開發了一個獨立的Unix標準,這個新的ANSI Unix標準被稱為計算肪車目梢浦殘圓僮饗低辰緱媯≒SOIX)。現有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標準的,而Linux從一開始就遵循 POSIX標準;
2)BSD并不是沒有涉足單機內的進程間通信(socket本身就可以用于單機內的進程間通信)。事實上,很多Unix版本的單機IPC留有BSD的痕跡,如4.4BSD支持的匿名內存映射、4.3+BSD對可靠信號語義的實現等等。
linux下進程間通信的幾種主要手段簡介:
1.管道
管道是進程間通信中最古老的方式,它包括無名管道和有名管道兩種,前者可用于具有親緣關系進程間的通信,即可用于父進程和子進程間的通信,后者額克服了管道沒有名字的限制,因此,除具有前者所具有的功能外,它還允許無親緣關系進程間的通信,即可用于運行于同一臺機器上的任意兩個進程間的通信。
無名管道由pipe()函數創建:
#include
int pipe(int filedis);
參數filedis返回兩個文件描述符:filedes[0]為讀而打開,filedes為寫而打開。filedes的輸出是filedes[0]的輸入。
在Linux系統下,有名管道可由兩種方式創建:命令行方式mknod系統調用和函數mkfifo。下面的兩種途徑都在當前目錄下生成了一個名為myfifo的有名管道:
方式一:mkfifo("myfifo","rw");
方式二:mknod myfifo p
生成了有名管道后,就可以使用一般的文件I/O函數如open、close、read、write等來對它進行操作。
2.消息隊列
消息隊列是消息的鏈接表,包括Posix消息隊列system V消息隊列。消息隊列用于運行于同一臺機器上的進程間通信,它和管道很相似,有足夠權限的進程可以向隊列中添加消息,被賦予讀權限的進程則可以讀走隊列中的消息。消息隊列克服了信號承載信息量少,管道只能承載無格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點。
我們可以用流管道或者套接口的方式來取代它。
3.共享內存
共享內存是運行在同一臺機器上的進程間通信最快的方式,因為數據不需要在不同的進程間復制。通常由一個進程創建一塊共享內存區,其余進程對這塊內存區進行讀寫。共享內存往往與其它通信機制,如信號量結合使用,來達到進程間的同步及互斥。
首先要用的函數是shmget,它獲得一個共享存儲標識符。
#include
#include
#include
int shmget(key_t key, int size, int flag);
這個函數有點類似大家熟悉的malloc函數,系統按照請求分配size大小的內存用作共享內存。linux系統內核中每個IPC結構都有的一個非負整數的標識符,這樣對一個消息隊列發送消息時只要引用標識符就可以了。這個標識符是內核由IPC結構的關鍵字得到的,這個關鍵字,就是上面第一個函數的key。數據類型key_t是在頭文件sys/types.h中定義的,它是一個長整形的數據。在我們后面的章節中,還會碰到這個關鍵字。
當共享內存創建后,其余進程可以調用shmat()將其連接到自身的地址空間中。
void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);
shmid為shmget函數返回的共享存儲標識符,addr和flag參數決定了以什么方式來確定連接的地址,函數的返回值即是該進程數據段所連接的實際地址,進程可以對此進程進行讀寫操作。
使用共享存儲來實現進程間通信的注意點是對數據存取的同步,必須確保當一個進程去讀取數據時,它所想要的數據已經寫好了。通常,信號量被要來實現對共享存儲數據存取的同步,另外,可以通過使用shmctl函數設置共享存儲內存的某些標志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等來實現。
4. 信號量
信號量又稱為信號燈,它是用來協調不同進程間的數據對象的,而最主要的應用是前一節的共享內存方式的進程間通信。本質上,信號量是一個計數器,它用來記錄對某個資源(如共享內存)的存取狀況。一般說來,為了獲得共享資源,進程需要執行下列操作:
(1) 測試控制該資源的信號量。
(2) 若此信號量的值為正,則允許進行使用該資源。進程將進號量減1。
(3) 若此信號量為0,則該資源目前不可用,進程進入睡眠狀態,直至信號量值大于0,進程被喚醒,轉入步驟(1)。
(4) 當進程不再使用一個信號量控制的資源時,信號量值加1。如果此時有進程正在睡眠等待此信號量,則喚醒此進程。
維護信號量狀態的是Linux內核操作系統而不是用戶進程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include/linux /sem.h中看到內核用來維護信號量狀態的各個結構的定義。信號量是一個數據集合,用戶可以單獨使用這一集合的每個元素。要調用的第一個函數是 semget,用以獲得一個信號量ID。
#include
#include
#include
int semget(key_t key, int nsems, int flag);
key是前面講過的IPC結構的關鍵字,它將來決定是創建新的信號量集合,還是引用一個現有的信號量集合。nsems是該集合中的信號量數。如果是創建新集合(一般在服務器中),則必須指定nsems;如果是引用一個現有的信號量集合(一般在客戶機中)則將nsems指定為0。
semctl函數用來對信號量進行操作。
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun arg);
不同的操作是通過cmd參數來實現的,在頭文件sem.h中定義了7種不同的操作,實際編程時可以參照使用。
semop函數自動執行信號量集合上的操作數組。
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);
semoparray是一個指針,它指向一個信號量操作數組。nops規定該數組中操作的數量。
下面,我們看一個具體的例子,它創建一個特定的IPC結構的關鍵字和一個信號量,建立此信號量的索引,修改索引指向的信號量的值,最后我們清除信號量。
5.套接口
套接口(socket)編程是實現Linux系統和其他大多數操作系統中進程間通信的主要方式之一。我們熟知的WWW服務、FTP服務、 TELNET服務等都是基于套接口編程來實現的。除了在異地的計算機進程間以外,套接口同樣適用于本地同一臺計算機內部的進程間通信。
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