linux操作系統(tǒng)下的進(jìn)程通信的設(shè)計(jì)

linux下的進(jìn)程通信手段基本上是從Unix平臺(tái)上的進(jìn)程通信手段繼承而來的。而對(duì)Unix發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的兩大主力ATamp;T的貝爾實(shí)驗(yàn)室及BSD（加州大學(xué)伯克利分校的伯克利軟件發(fā)布中心）在進(jìn)程間通信方面的側(cè)重點(diǎn)有所不同。前者對(duì)Unix早期的進(jìn)程間通信手段進(jìn)行了系統(tǒng)的改進(jìn)和擴(kuò)充，形成了“system V IPC”，通信進(jìn)程局限在單個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)；后者則跳過了該限制，形成了基于套接口（socket）的進(jìn)程間通信機(jī)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(hào)；System V IPC包括：System V消息隊(duì)列、System V信號(hào)燈、System V共享內(nèi)存區(qū)；Posix IPC包括：Posix消息隊(duì)列、Posix信號(hào)燈、Posix共享內(nèi)存區(qū)。有兩點(diǎn)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(xié)會(huì)（IEEE）開發(fā)了一個(gè)獨(dú)立的Unix標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)新的ANSI Unix標(biāo)準(zhǔn)被稱為計(jì)算肪車目梢浦殘圓僮饗低辰緱媯≒SOIX）?，F(xiàn)有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)的，而Linux從一開始就遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)；

2）BSD并不是沒有涉足單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信（socket本身就可以用于單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信）。事實(shí)上，很多Unix版本的單機(jī)IPC留有BSD的痕跡，如4.4BSD支持的匿名內(nèi)存映射、4.3+BSD對(duì)可靠信號(hào)語義的實(shí)現(xiàn)等等。

linux下進(jìn)程間通信的幾種主要手段簡介：

1.管道

管道是進(jìn)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(guān)系進(jìn)程間的通信，即可用于父進(jìn)程和子進(jìn)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(guān)系進(jìn)程間的通信，即可用于運(yùn)行于同一臺(tái)機(jī)器上的任意兩個(gè)進(jìn)程間的通信。

無名管道由pipe（）函數(shù)創(chuàng)建：

#include unistd.h>

int pipe(int filedis[2])；

參數(shù)filedis返回兩個(gè)文件描述符：filedes[0]為讀而打開，filedes[1]為寫而打開。filedes[1]的輸出是filedes[0]的輸入。

在Linux系統(tǒng)下，有名管道可由兩種方式創(chuàng)建：命令行方式mknod系統(tǒng)調(diào)用和函數(shù)mkfifo。下面的兩種途徑都在當(dāng)前目錄下生成了一個(gè)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(shù)如open、close、read、write等來對(duì)它進(jìn)行操作。

2.消息隊(duì)列

消息隊(duì)列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊(duì)列system V消息隊(duì)列。消息隊(duì)列用于運(yùn)行于同一臺(tái)機(jī)器上的進(jìn)程間通信，它和管道很相似，有足夠權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息，被賦予讀權(quán)限的進(jìn)程則可以讀走隊(duì)列中的消息。消息隊(duì)列克服了信號(hào)承載信息量少，管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。

我們可以用流管道或者套接口的方式來取代它。

3.共享內(nèi)存

共享內(nèi)存是運(yùn)行在同一臺(tái)機(jī)器上的進(jìn)程間通信最快的方式，因?yàn)閿?shù)據(jù)不需要在不同的進(jìn)程間復(fù)制。通常由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存區(qū)，其余進(jìn)程對(duì)這塊內(nèi)存區(qū)進(jìn)行讀寫。共享內(nèi)存往往與其它通信機(jī)制，如信號(hào)量結(jié)合使用，來達(dá)到進(jìn)程間的同步及互斥。

首先要用的函數(shù)是shmget，它獲得一個(gè)共享存儲(chǔ)標(biāo)識(shí)符。

#include sys/types.h>

#include sys/ipc.h>

#include sys/shm.h>

int shmget(key_t key, int size, int flag);

這個(gè)函數(shù)有點(diǎn)類似大家熟悉的malloc函數(shù)，系統(tǒng)按照請求分配size大小的內(nèi)存用作共享內(nèi)存。Linux系統(tǒng)內(nèi)核中每個(gè)IPC結(jié)構(gòu)都有的一個(gè)非負(fù)整數(shù)的標(biāo)識(shí)符，這樣對(duì)一個(gè)消息隊(duì)列發(fā)送消息時(shí)只要引用標(biāo)識(shí)符就可以了。這個(gè)標(biāo)識(shí)符是內(nèi)核由IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字得到的，這個(gè)關(guān)鍵字，就是上面第一個(gè)函數(shù)的key。數(shù)據(jù)類型key_t是在頭文件sys/types.h中定義的，它是一個(gè)長整形的數(shù)據(jù)。在我們后面的章節(jié)中，還會(huì)碰到這個(gè)關(guān)鍵字。

當(dāng)共享內(nèi)存創(chuàng)建后，其余進(jìn)程可以調(diào)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(shù)返回的共享存儲(chǔ)標(biāo)識(shí)符，addr和flag參數(shù)決定了以什么方式來確定連接的地址，函數(shù)的返回值即是該進(jìn)程數(shù)據(jù)段所連接的實(shí)際地址，進(jìn)程可以對(duì)此進(jìn)程進(jìn)行讀寫操作。

使用共享存儲(chǔ)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的注意點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)存取的同步，必須確保當(dāng)一個(gè)進(jìn)程去讀取數(shù)據(jù)時(shí)，它所想要的數(shù)據(jù)已經(jīng)寫好了。通常，信號(hào)量被要來實(shí)現(xiàn)對(duì)共享存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存取的同步，另外，可以通過使用shmctl函數(shù)設(shè)置共享存儲(chǔ)內(nèi)存的某些標(biāo)志位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等來實(shí)現(xiàn)。

4. 信號(hào)量

信號(hào)量又稱為信號(hào)燈，它是用來協(xié)調(diào)不同進(jìn)程間的數(shù)據(jù)對(duì)象的，而最主要的應(yīng)用是前一節(jié)的共享內(nèi)存方式的進(jìn)程間通信。本質(zhì)上，信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，它用來記錄對(duì)某個(gè)資源（如共享內(nèi)存）的存取狀況。一般說來，為了獲得共享資源，進(jìn)程需要執(zhí)行下列操作：

（1） 測試控制該資源的信號(hào)量。

（2） 若此信號(hào)量的值為正，則允許進(jìn)行使用該資源。進(jìn)程將進(jìn)號(hào)量減1。

（3） 若此信號(hào)量為0，則該資源目前不可用，進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直至信號(hào)量值大于0，進(jìn)程被喚醒，轉(zhuǎn)入步驟（1）。

（4） 當(dāng)進(jìn)程不再使用一個(gè)信號(hào)量控制的資源時(shí)，信號(hào)量值加1。如果此時(shí)有進(jìn)程正在睡眠等待此信號(hào)量，則喚醒此進(jìn)程。

維護(hù)信號(hào)量狀態(tài)的是Linux內(nèi)核操作系統(tǒng)而不是用戶進(jìn)程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h中看到內(nèi)核用來維護(hù)信號(hào)量狀態(tài)的各個(gè)結(jié)構(gòu)的定義。信號(hào)量是一個(gè)數(shù)據(jù)集合，用戶可以單獨(dú)使用這一集合的每個(gè)元素。要調(diào)用的第一個(gè)函數(shù)是semget，用以獲得一個(gè)信號(hào)量ID。

#include sys/types.h>

#include sys/ipc.h>

#include sys/sem.h>

int semget(key_t key, int nsems, int flag);

key是前面講過的IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字，它將來決定是創(chuàng)建新的信號(hào)量集合，還是引用一個(gè)現(xiàn)有的信號(hào)量集合。nsems是該集合中的信號(hào)量數(shù)。如果是創(chuàng)建新集合（一般在服務(wù)器中），則必須指定nsems；如果是引用一個(gè)現(xiàn)有的信號(hào)量集合（一般在客戶機(jī)中）則將nsems指定為0。

semctl函數(shù)用來對(duì)信號(hào)量進(jìn)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(shù)來實(shí)現(xiàn)的，在頭文件sem.h中定義了7種不同的操作，實(shí)際編程時(shí)可以參照使用。

semop函數(shù)自動(dòng)執(zhí)行信號(hào)量集合上的操作數(shù)組。

int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

semoparray是一個(gè)指針，它指向一個(gè)信號(hào)量操作數(shù)組。nops規(guī)定該數(shù)組中操作的數(shù)量。

下面，我們看一個(gè)具體的例子，它創(chuàng)建一個(gè)特定的IPC結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵字和一個(gè)信號(hào)量，建立此信號(hào)量的索引，修改索引指向的信號(hào)量的值，最后我們清除信號(hào)量。

5.套接口

套接口（socket）編程是實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)和其他大多數(shù)操作系統(tǒng)中進(jìn)程間通信的主要方式之一。我們熟知的WWW服務(wù)、FTP服務(wù)、TELNET服務(wù)等都是基于套接口編程來實(shí)現(xiàn)的。除了在異地的計(jì)算機(jī)進(jìn)程間以外，套接口同樣適用于本地同一臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的進(jìn)程間通信。