进程间通信的各种模式
- Pipe
- Message Queue
- Shared Memory
管道
还记得咱们最初学 Linux 命令的时候，有下面这样一行命令：
ps -ef | grep 关键字 | awk '{print $2}' | xargs kill -9
这里面的竖线“|”就是一个管道。它会将前一个命令的输出，作为后一个命令的输入。从管道的这个名称可以看出来，管道是一种单向传输数据的机制，它其实是一段缓存，里面的数据只能从一端写入，从另一端读出。如果想互相通信，我们需要创建两个管道才行。管道分为两种类型，“|” 表示的管道称为匿名管道，意思就是这个类型的管道没有名字，用完了就销毁了。就像上面那个命令里面的一样，竖线代表的管道随着命令的执行自动创建、自动销毁。用户甚至都不知道自己在用管道这种技术，就已经解决了问题。所以这也是面试题里面经常会问的，到时候千万别说这是竖线，而要回答背后的机制，管道。
另外一种类型是命名管道。这个类型的管道需要通过 mkfifo 命令显式地创建。
mkfifo hellohello
就是这个管道的名称。管道以文件的形式存在，这也符合 Linux 里面一切皆文件的原则。这个时候，我们 ls 一下，可以看到，这个文件的类型是 p，就是 pipe 的意思。
ls -lprw-r--r-- 1 root root 0 May 21 23:29 hello
接下来，我们可以往管道里面写入东西。例如，写入一个字符串。
echo "hello world" > hello
这个时候，管道里面的内容没有被读出，这个命令就是停在这里的，这说明当一个项目组要把它的输出交接给另一个项目组做输入，当没有交接完毕的时候，前一个项目组是不能撒手不管的。这个时候，我们就需要重新连接一个终端。在终端中，用下面的命令读取管道里面的内容：
cat < hello hello world
一方面，我们能够看到，管道里面的内容被读取出来，打印到了终端上；另一方面，echo 那个命令正常退出了，也即交接完毕，前一个项目组就完成了使命，可以解散了。
消息队列
和管道将信息一股脑儿地从一个进程，倒给另一个进程不同，消息队列有点儿像邮件，发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体，每个消息体都是固定大小的存储块，在字节流上不连续。
消息结构的定义
struct msg_buffer { long mtype; char mtext[1024];};
接下来，我们需要创建一个消息队列，使用 msgget 函数。这个函数需要有一个参数 key，这是消息队列的唯一标识，应该是唯一的。如何保持唯一性呢？这个还是和文件关联。我们可以指定一个文件，ftok 会根据这个文件的 inode，生成一个近乎唯一的 key。只要在这个消息队列的生命周期内，这个文件不要被删除就可以了。只要不删除，无论什么时刻，再调用 ftok，也会得到同样的 key。这种 key 的使用方式在这一章会经常遇到，这是因为它们都属于 System V IPC 进程间通信机制体系中。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
int main() {
int messagequeueid;
key_t key;
if((key = ftok("/root/messagequeue/messagequeuekey", 1024)) < 0)
{
perror("ftok error");
exit(1);
}
printf("Message Queue key: %d.\n", key);
if ((messagequeueid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
{
perror("msgget error");
exit(1);
}
printf("Message queue id: %d.\n", messagequeueid);
}
ipcs -q就能看到上面我们创建的消息队列对象。
------ Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
0x00288297 0 root 777 0 0
发送消息主要调用 msgsnd 函数。第一个参数是 message queue 的 id，第二个参数是消息的结构体，第三个参数是消息的长度，最后一个参数是 flag。这里 IPC_NOWAIT 表示发送的时候不阻塞，直接返回。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <getopt.h>
#include <string.h>
struct msg_buffer {
long mtype;
char mtext[1024];
};
int main(int argc, char *argv[]) {
int next_option;
const char* const short_options = "i:t:m:";
const struct option long_options[] = {
{ "id", 1, NULL, 'i'},
{ "type", 1, NULL, 't'},
{ "message", 1, NULL, 'm'},
{ NULL, 0, NULL, 0 }
};
int messagequeueid = -1;
struct msg_buffer buffer;
buffer.mtype = -1;
int len = -1;
char * message = NULL;
do {
next_option = getopt_long (argc, argv, short_options, long_options, NULL);
switch (next_option)
{
case 'i':
messagequeueid = atoi(optarg);
break;
case 't':
buffer.mtype = atol(optarg);
break;
case 'm':
message = optarg;
len = strlen(message) + 1;
if (len > 1024) {
perror("message too long.");
exit(1);
}
memcpy(buffer.mtext, message, len);
break;
default:
break;
}
}while(next_option != -1);
if(messagequeueid != -1 && buffer.mtype != -1 && len != -1 && message != NULL){
if(msgsnd(messagequeueid, &buffer, len, IPC_NOWAIT) == -1){
perror("fail to send message.");
exit(1);
}
} else {
perror("arguments error");
}
return 0;
}
收消息主要调用 msgrcv 函数，第一个参数是 message queue 的 id，第二个参数是消息的结构体，第三个参数是可接受的最大长度，第四个参数是消息类型, 最后一个参数是 flag，这里 IPC_NOWAIT 表示接收的时候不阻塞，直接返回。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <getopt.h>
#include <string.h>
struct msg_buffer {
long mtype;
char mtext[1024];
};
int main(int argc, char *argv[]) {
int next_option;
const char* const short_options = "i:t:";
const struct option long_options[] = {
{ "id", 1, NULL, 'i'},
{ "type", 1, NULL, 't'},
{ NULL, 0, NULL, 0 }
};
int messagequeueid = -1;
struct msg_buffer buffer;
long type = -1;
do {
next_option = getopt_long (argc, argv, short_options, long_options, NULL);
switch (next_option)
{
case 'i':
messagequeueid = atoi(optarg);
break;
case 't':
type = atol(optarg);
break;
default:
break;
}
}while(next_option != -1);
if(messagequeueid != -1 && type != -1){
if(msgrcv(messagequeueid, &buffer, 1024, type, IPC_NOWAIT) == -1){
perror("fail to recv message.");
exit(1);
}
printf("received message type : %d, text: %s.", buffer.mtype, buffer.mtext);
} else {
perror("arguments error");
}
return 0;
}
接下来，我们可以编译并运行这个发送程序。可以看到，如果有消息，可以正确地读到消息；如果没有，则返回没有消息。
# ./recv -i 0 -t 123
received message type : 123, text: hello world.
# ./recv -i 0 -t 123
fail to recv message.: No message of desired type
共享内存
有时候，项目组之间的沟通需要特别紧密，而且要分享一些比较大的数据。如果使用邮件，就发现，一方面邮件的来去不及时；另外一方面，附件大小也有限制，所以，这个时候，我们经常采取的方式就是，把两个项目组在需要合作的期间，拉到一个会议室进行合作开发，这样大家可以直接交流文档呀，架构图呀，直接在白板上画或者直接扔给对方，就可以直接看到。可以看出来，共享会议室这种模型，类似进程间通信的共享内存模型。前面咱们讲内存管理的时候，知道每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同的进程的虚拟内存空间映射到不同的物理内存中去。这个进程访问 A 地址和另一个进程访问 A 地址，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。但是，咱们是不是可以变通一下，拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去。共享内存也是 System V IPC 进程间通信机制体系中的，所以从它使用流程可以看到熟悉的面孔。
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
创建完毕之后，我们可以通过 ipcs 命令查看这个共享内存。
#ipcs --shmems
------ Shared Memory Segments --------
key shmid owner perms bytes nattch status
0x0000162e 65594 root 666 27 0
接下来，如果一个进程想要访问这一段共享内存，需要将这个内存加载到自己的虚拟地址空间的某个位置，通过 shmat 函数，就是 attach 的意思。其中 addr 就是要指定 attach 到这个地方。但是这个地址的设定难度比较大，除非对于内存布局非常熟悉，否则可能会 attach 到一个非法地址。所以，通常的做法是将 addr 设为 NULL，让内核选一个合适的地址。返回值就是真正被 attach 的地方。
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
如果共享内存使用完毕，可以通过 shmdt 解除绑定，然后通过 shmctl，将 cmd 设置为 IPC_RMID，从而删除这个共享内存对象。
int shmdt(void *addr); int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
shm_server.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#define SHMSZ 27
main()
{
char c;
int shmid;
key_t key;
char *shm, *s;
/*
* We'll name our shared memory segment
* "5678".
*/
key = 5678;
/*
* Create the segment.
*/
if ((shmid = shmget(key, SHMSZ, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {
perror("shmget");
exit(1);
}
/*
* Now we attach the segment to our data space.
*/
if ((shm = shmat(shmid, NULL, 0)) == (char *) -1) {
perror("shmat");
exit(1);
}
/*
* Now put some things into the memory for the
* other process to read.
*/
s = shm;
for (c = 'a'; c <= 'z'; c++)
*s++ = c;
*s = NULL;
/*
* Finally, we wait until the other process
* changes the first character of our memory
* to '*', indicating that it has read what
* we put there.
*/
while (*shm != '*')
sleep(1);
exit(0);
}
shm_client.c
/*
* shm-client - client program to demonstrate shared memory.
*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#define SHMSZ 27
main()
{
int shmid;
key_t key;
char *shm, *s;
/*
* We need to get the segment named
* "5678", created by the server.
*/
key = 5678;
/*
* Locate the segment.
*/
if ((shmid = shmget(key, SHMSZ, 0666)) < 0) {
perror("shmget");
exit(1);
}
/*
* Now we attach the segment to our data space.
*/
if ((shm = shmat(shmid, NULL, 0)) == (char *) -1) {
perror("shmat");
exit(1);
}
/*
* Now read what the server put in the memory.
*/
for (s = shm; *s != NULL; s++)
putchar(*s);
putchar('\n');
/*
* Finally, change the first character of the
* segment to '*', indicating we have read
* the segment.
*/
*shm = '*';
exit(0);
}
test:
./shm_server
./shm_client
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz
