Linux环境编程——进程间通信

一、基本概念

什么是进程间通信：是指两个或多个进程之间交互数据的过程，因为进程之间是相互独立的，为了进程间协同工作就必须实现进程间交互数据
进程间通信的分类：
    简单的进程间通信：信号、普通文件、环境变量表、命令行参数
    传统的进程间通信：管道文件
    XSI的进程间通信：共享内存、消息队列、信号量
    网络进程间通信：Socket套接字

二、传统的进程间通信-管道文件

管道是UNIX系统中最古老的进程间通信技术，古老意味着所有系统都支持，早起的管道是半双工通信，先有的系统管道是全双工通信
管道就是一种特殊的文件，数据在文件中是流动的，读取之后就自动消失，如果文件中没有数据则会阻塞

有名管道：基于有文件名的管道文件的通信
    编程模型
        进程A           进程B
      创建管道         
      打开管道          打开管道
       写数据            读数据
      关闭管道          关闭管道
      删除管道

    创建有名管道文件：
    1、命令 mkfifo
    2、函数
    #include 
    #include 
    int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
    功能：创建有名管道
    pathname：管道文件的路径
    mode：管道文件的权限 0664

匿名管道：只适合通过fork创建父子进程之间使用
#include 
int pipe(int pipefd[2]);
功能：创建一个匿名管道文件
通过pipefd返回该匿名管道文件的读权限fd和写权限的fd
    pipefd[0]   用于读匿名管道
    pipefd[1]   用于写匿名管道

    编程模型：
        父进程          子进程
      获取一对fd       
      创建子进程       拷贝\共享一对fd
      关闭读             关闭写
      写数据             读数据
      关闭写             关闭读

三、XSI进程间通信

X/open公司制定的用于进程间通信的系统(S)接口(I)
XSI进程间通信都需要借助系统内核完成，需要创建内核对象，内核对象会以整数的形式返回给用户态，类似于文件描述符，也叫作IPC标识符
文件的创建打开需要借助文件名，IPC内核对象需要借助IPC键值(整数)，必须要确保IPC键值是独一无二的
   #include 
   #include 
   key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
   功能：计算出一个独一无二的IPC键值
   pathname：项目路径
   proj_id：项目编号
   返回值：计算出来的IPC键值
   注意：项目路径必须真是存在，否在计算出来的key永远相同

共享内存：

基础特点：
    两个或多个进程之间共享一块由内核负责统一管理的内存，该内存可以与多个进程的虚拟内存进行映射
    优点：不需要复制信息，直接读写内存，是最快的一种IPC机制
    缺点：需要考虑同步访问问题，一般使用信号
    #include 
    #include 
    int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
    功能：创建、获取一块共享内存
    key：IPC键值、
    size：共享内存的大小，获取共享内存时此参数无意义，一般给0
    shmflg：
        IPC_CREAT   创建共享内存,如果已存在直接获取
        IPC_EXCL    共享内存已存在，返回失败 
        获取时直接给0
        注意：如果是创建内存要需要额外提供共享内存的权限
        例如：IPC_CREAT|0664
    返回值：IPC标识符，失败-1


    #include 
    #include 
    void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
    功能：让虚拟内存与共享内存进行映射
    shmid：IPC标识符 shmget的返回值
    shmaddr：想要映射的虚拟内存首地址，为NULL时系统会自动分配地址
    shmflg：
        SHM_RDONLY  以只读方式映射共享内存
        SHM_RND:只有shmaddr参数不为NULL时才有效，表示从shmaddr开始向下以整数页方式映射
    返回值：与共享内存映射成功后的虚拟内存首地址，失败返回(void*)-1

    int shmdt(const void *shmaddr);   
    功能：取消映射
    shmaddr：映射成功后的虚拟内存首地址
    返回值：0成功-1失败

    #include 
    #include 
    int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
    功能：删除/控制共享内存
    shmid：IPC标识符
    cmd：
        IPC_STAT：获取共享内存的属性，buf输出型参数
        IPC_SET： 设置共享内存的属性，buf输入型参数
        IPC_RMID：删除共享内存          NULL
    buf：

编程模型：
    进程A           进程B
创建共享内存       获取共享内存
映射共享内存       映射共享内存
写数据通知其他进程    收到通知读数据
收到通知读数据    写数据通知其他进程
  取消映射            取消映射
  删除共享内存

消息队列：

由内核负责维护管理的链式数据队列，不是根据先后顺序出队，而是根据消息类型进行首发数据
    
    #include 
    #include 
    #include 
    int msgget(key_t key, int msgflg);
    功能：创建\获取消息队列
    key：IPC键值 
    msgflg：
        IPC_CREAT   消息队列已存在则获取，否侧创建
        IPC_EXCL    消息队列已存在则返回错误
        注意：如果创建需要提供权限 
    返回值：成功返回IPC标识符，失败返回-1

    #include 
    #include 
    #include 
    int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
    功能：向消息队列发送消息包
    msqid：IPC标识符
    msgp：要发送的消息包的首地址
        struct msgbuf {
           long mtype;       //消息类型
           char mtext[1];    //数据
        };
    
    msgsz：数据(mtext[1])的字节数，不包含消息类型
    msgflg：
        阻塞发送一般给0
        IPC_NOWAIT 当消息队列满，不等待立即返回

    ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
    功能：从消息队列中接收对应消息包的数据
     msqid：IPC标识符
     msgp：存储消息包的存储首地址
     msgsz：存储数据的内存字节数(尽量大一些)
     msgtyp：消息类型(按照类型获取，不按照顺序)
        >0 读取消息类型=msgtyp的消息
        =0 读取消息队列中第一条消息
        <0 读取消息类型小于abs(msgtyp)的消息，如果有多个则读值最小的
    msgflg：
        IPC_NOWAIT 消息队列都不符合时不阻塞，立即返回
        MSG_EXCEPT 如果msgtyp>0，则读取第一条不等于msgtyp的消息
        MSG_NOERROR 如果不包含此标志，如果实际发送过来的数据字节数>接收的字节数，则返回失败，如果包含此标志，那么就只读接收到的字节数，一定会成功
    返回值：成功读取到的字节数

    #include 
    #include 
    #include 
    int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
    功能：获取\修改消息队列的属性、删除队列
    msqid：IPC标识符
    cmd：
        IPC_STAT：获取共享内存的属性，buf输出型参数
        IPC_SET： 设置共享内存的属性，buf输入型参数
        IPC_RMID：删除共享内存          NULL
    buf:

    编程模型：
        进程A               进程B 
    创建消息队列           获取消息队列 
      发送消息               获取消息 
      获取消息               发送消息 
    删除消息队列

信号量：

基本特点：由内核管理的一个“全局变量”，用于记录共享资源的数量，限制进程对共享资源的访问使用
信号量设计一种数据操作锁，本身是不具备数据交互功能，而是通过控制其他的通信资源从而配合实现进程间通信
1、如果信号量的值大于0，说明可以使用资源，使用时需要信号量-1，然后再使用
2、如果信号量的值等于0，说明没有资源可使用，此时进程进入休眠，直到信号量的值大于0，进程会被唤醒，执行步骤1
3、当资源使用完毕，把信号量的值+1，正在休眠的进程就会被唤醒

#include 
#include 
#include 
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：创建\获取信号量
key：IPC键值
nsems：型号量的数量 一般写1
msgflg：
        IPC_CREAT   信号量已存在则获取，否侧创建
        IPC_EXCL    信号量已存在则返回错误
        注意：如果创建需要提供权限
返回值：IPC标志符，失败-1

int semctl(int semid,int semnum,int cmd, ...);
功能：删除、控制型号量
semid:IPC标识符
semnum:要操作的第几个型号量,从0开始，下标
 cmd：
        IPC_STAT：获取信号量的属性，buf输出型参数
        IPC_SET： 设置信号量的属性，buf输入型参数
        IPC_RMID：删除信号量内存          NULL
        SETVAL    设置某个信号量的值
        SETALL    设置所有信号量的值
        GETVAL    获取某个信号量的值
        GETALL    获取所有信号量的值
        GETNCNT   获取等待拿资源的进程数量

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
功能：对信号量进行加减操作
semid：IPC标识符
    sembuf{
       unsigned short sem_num;  //信号量的下标
       short          sem_op;   // 1 信号量+1  -1 信号量-1 如果不能间，则默认阻塞
       short          sem_flg;  //IPC_NOWAIT 不阻塞         SEM_UNDO 如果进程终止没有手动还资源，系统会自动还
    }