Linux系统编程(第六章进程间通信).pdf

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1、第六章：进程间通信第六章：进程间通信目标目标:本章旨在向学员介绍本章旨在向学员介绍LinuxLinux系统系统下进程间通信及同步的机制及方下进程间通信及同步的机制及方法：法：1）掌握进程间通信的主要方法掌握进程间通信的主要方法:管道、命名管道、共享内存等管道、命名管道、共享内存等2）掌握进程间同步的主要方法掌握进程间同步的主要方法：信号量等：信号量等时间：时间：6 学时学时教学方法：讲授教学方法：讲授PPT、实例练习实例练习6.1 关于进程间通信与同步关于进程间通信与同步功能提供几种机制方便进程之间进行数据交换或提供几种机制方便进程之间进行数据交换或者进程之间的同步者进程之间的同步方法进程间通

2、信及同步的方式有：进程间通信及同步的方式有：pipe、fifo、共、共享内存、信号量、享内存、信号量、socket通信通信6.1.1 最简单的进程通信最简单的进程通信在两个程序间最简单的数据传递方法是利用popen及pclose函数了。command参数：要运行的程序名和相应的参数open_mode参数：必须是“r”或者“w”#include FILE*popen(const char*command,const char*open_mode);int pclose(FILE*stream_to_close);6.1.1 最简单的进程通信最简单的进程通信例程：读取外部程序的输出int main

3、()FILE*read_fp;char bufferBUFSIZ+1;int chars_read;memset(buffer,0,sizeof(buffer);read_fp=popen(“uname a”,“r”);if(read_fp!=NULL)chars_read=fread(buffer,sizeof(char),BUFSIZ,read_fp);if(chars_read 0)printf(“Output was:-n%sn”,buffer);pclose(read_fp);exit(EXIT_SUCCESS);exit(EXIT_FAILURE);#include#include

4、#include#include 6.1.1 最简单的进程通信最简单的进程通信例程：将输出送往外部程序#include#include#include int main()FILE*write_fp;char bufferBUFSIZ+1;sprintf(buffer,“Once upon a time,there wasn”);write_fp=popen(“od c”,“w”);if(write_fp!=NULL)fwrite(buffer,sizeof(char),strlen(buffer),write_fp);pclose(write_fp);exit(EXIT_SUCCESS);e

5、xit(EXIT_FAILURE);6.2 进程间通信机制进程间通信机制(IPC)进程间通信机制(IPC机制)有五类：信号量信号量1共享内存共享内存2消息传递消息传递3管道管道4命名管道命名管道56.2.1 管道管道父进程父进程pipes1管道管道pipes0子进程子进程功能两个或多个进程间通过管道，可以互相传递两个或多个进程间通过管道，可以互相传递信息，利用信息，利用readread和和writewrite系统调用函数来进行系统调用函数来进行读写操作。读写操作。6.2.1 管道管道pipe调用filedes是一个有两个成员的整形数组，用来保存管道的文件描述符，如果调用成功。filedes0将

6、用来从管道读取数据filedes1用来向管道写入数据。errno返回的错误说明：EMFILE:进程使用的文件描述符过多ENFILE:系统的文件表已满EFAULT:文件描述符无效#include int pipe(int filedes2);6.2.1 管道管道例程：pipe调用#include#include#include#include int main()int data_processed;int file_pipes2;const char some_data=“123”;char bufferBUFSIZ+1;memset(buffer,0,sizeof(buffer);if(pi

7、pe(file_pipes)=0)data_processed=write(file_pipes1,some_data,strlen(some_data);printf(“Wrote%d bytesn”,data_processed);data_processed=read(file_pipes0,buffer,BUFSIZ);printf(“Read%d bytes:%sn”,data_processed,buffer);exit(EXIT_SUCCESS);exit(EXIT_FAILURE);6.2.1 管道管道实验：pipe与fork父进程父进程pipes1管道管道pipes0子进程子

8、进程父进程父进程pipes0pipes1管道管道pipes1pipes0子进程子进程调用调用forkfork之后之后进行进行pipepipe通信通信6.2.1 管道管道例程：跨越fork调用的pipe#include#include#include#include int main()int data_processed;int file_pipes2;const char some_data=“123”;char bufferBUFFSIZ+1;pid_t fork_result;memset(buffer,0,sizeof(buffer);if(pipe(file_pipes)=0)for

9、k_result=fork();if(fork_result=-1)fprintf(stderr,“Fork failure”);exit(EXIT_FAILURE);if(fork_result=0)close(file_pipes1);data_processed=read(file_pipes0,buffer,BUFSIZ);printf(“Read%d bytes:%sn”,data_processed,buffer);exit(EXIT_SUCCESS);else close(file_pipes0);data_processed=write(file_pipes1,some_dat

10、a,strlen(some_data);printf(“Wrote%d bytesn”,data_processed);exit(EXIT_SUCCESS);6.2.2 命名管道命名管道FIFO功能提供进程间数据交换的一种机制提供进程间数据交换的一种机制区别与与pipe不同的是，命名管道不需要程序由一不同的是，命名管道不需要程序由一个共同的祖先进程启动个共同的祖先进程启动特点命名管道是一种特殊类型的文件，因为是文件，具备了和文件相同的特点，有文件名、所有者，访问权限等，但行为和管道相同6.2.2 命名管道命名管道FIFO命令行方式创建FIFO管道$mknod filename p$mkfifo

11、 filename6.2.2 命名管道命名管道FIFO程序中创建FIFO管道参数filename为指定管道文件的名字参数mode给出了FIFO的访问权限#include#include int mkfifo(const char*filename,mode_t mode);int mknod(const char*filename,mode_t mode|S_IFIFO,(dev_t)0);6.2.2 命名管道命名管道FIFO例程：创建命名管道FIFO#include#include#include#include int main()int res=mkfifo(“/tmp/my_fifo”

12、,0777);if(res=0)printf(“FIFO createdn”);exit(EXIT_SUCCESS);6.2.2 命名管道命名管道FIFO命令行访问FIFO总结：$cat /tmp/my_fifo与通过pipe调用创建管道不同，FIFO是以命名文件的形式存在，而不是打开的文件描述符，所以对它进行读写操作之前必须先打开它。FIFO也用open和close函数打开和关闭，但多了额外的功能6.2.2 命名管道命名管道FIFO例程：打开FIFO文件#include#include#include#include#define FIFO_NAME“/tmp/my_fifo”int mai

13、n()int res;int open_mode=0;open_mode=O_RDONLY|O_NONBLOCK;res=open(FIFO_NAME,open_mode);if(res=-1)perror(“Failed tp open FIFO file”);exit(1);printf(“FIFO file is openedn”);close(res);return 0;注意：打开管道文件，可以选择阻塞与非阻塞两种方式，用O_NONBLCOK表示.open(chonst char*path,O_RDONLY)-open调用将阻塞，除非有一个进程以写方式打开同一个FIFO,否则它不会返回

14、。open(chonstchar*path,O_RDONLY|O_NONBLOCK)-即使没有其他进程以写方式打开FIFO,这个open用也将成功并立即返回。open(chonst char*path,O_WRONLY)-open调用将阻塞，除非有一个进程以读方式打开同一个FIFO,否则它不会返回。open(chonstchar*path,O_WRONLY|O_NONBLOCK)-调 用总是立即返回，但如果没有其他进程以读方式打开FIFO,将返回一个错误-1并且FIFO也不会被打开。打开FIFO的主要限制是程序不能使用O_RDWR模型打开FIFO文件。6.2.2 命名管道命名管道FIFO例程：

15、FIFO读、写程序#include#include#include#include#include#define FIFO_NAME/tmp/my_fifo“int main()char buf100;int fd;int nread;fd=open(FIFO_NAME,O_RDONLY);if(fd=-1)perror(open);exit(1);memset(buf,0,sizeof(buf);if(nread=read(fd,buf,100)=-1)perror(read);exit(1);printf(read%s from FIFOn,buf);return 0;#include#i

16、nclude#include#include#include#define FIFO_NAME/tmp/my_fifo“int main()int fd;int nwrite;char buf100;fd=open(FIFO_NAME,O_WRONLY);if(fd=-1)perror(Failed to open FIFO file);exit(1);printf(FIFO file is openedn);strcpy(buf,helloworld);if(nwrite=write(fd,buf,100)=-1)perror(write);exit(1);close(fd);return

17、0;6.2.2 命名管道命名管道FIFO练习：使用fork创建2个进程，一个用于读FIFO操作，另一个写FIFO操作，读写数据的内容与大小不做要求。6.2.3 关于信号量关于信号量功能确保程序对某个特定的资源具有独占式的访确保程序对某个特定的资源具有独占式的访问的机制问的机制区别与线程信号量不一样与线程信号量不一样特点信号量是特殊的变量，只能取正整数并且只允许有两种操作：等待P和信号V6.2.3 关于信号量关于信号量信号量原理1-000-111-006.2.3 信号量信号量IPC机制关键值函数的作用是以path相关的信息为基础返回一个关键值,利用此关键值实现IPC同步和通信机制，也可使用IPC

18、_PRIVATE作为参数由系统自动生成。#include key_t ftok(const char*path,int id);6.2.3 信号量信号量ftok与IPC_PRIVATE的区别：ftok借助文件实现功能，常在不同的进程中使用，尤其是两个进程不是父子进程时，但因为是借助文件实现，一旦文件被删除后重新创建，获得的key就会发生变化，影响两个进程同步及通信机制的实现IPC_PRIVATE由系统自动生成键值，常用于父子进程中，如要运行非父子进程关系的两个进程间，需要传值才能让另外的进程获得IPC_PRIVATE的值6.2.3 信号量信号量semget函数：功能为创建信号量参数key：整数

19、，相关进程可以通过它访问一个信号量参数nsems：指定需要的信号量数量。它几乎总是取值1参数sem_flags：是一组标志，与open函数的标志相似,具体如下：IPC_CREAT:如果信号量集在系统内核中不存在，则创建信号量集。如果单独使IPC_CREAT，则semget()要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回系统中已经存在的同样的关键字值的信号量的标识符。IPC_EXCL:单独使用没有意义。如果IPC_EXCL和IPC_CREAT一同使用，则要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回-1。#include int semget(key_t key,int nsems,int sem_f

20、lags);6.2.3 信号量信号量semop函数：实际执行各种信号量操作参数semid：为semget函数返回的信号量标识符参数op_array：为sembuf结构指针参数num_ops：为sembuf结构数组成员的个数，其值=1#include int semop(int semid,struct sembuf*op_array,size_t num_ops);6.2.3 信号量信号量sem_num：操作信号在信号集中的编号，第一个信号的编号是0。sem_op：如果其值为正数，该值会加到现有的信号内含值中。通常用于释放所控资源的使用权；如果sem_op的值为负数，而其绝对值又大于信号的现值

21、，操作将会阻塞，直到信号值大于或等于sem_op的绝对值。通常用于获取资源的使用权；如果sem_op的值为0，则操作将暂时阻塞，直到信号的值变为0。sem_flg：信号操作标志，可能的选择有两种:1.IPC_NOWAIT/对信号的操作不能满足时，semop()不会阻塞，并立即返回，同时设定错误信息。2.SEM_UNDO/程序结束时(不论正常或不正常)，保证信号值会被重设为semop()调用前的值。这样做的目的在于避免程序在异常情况下结束时未将锁定的资源解锁，造成该资源永远锁定。struct sembufshort sem_num;short sem_op;short sem_flg;6.2.3

22、 信号量信号量semctl 函数：在一组信号量上做各种控制操作,诸如信号量集合的初始化、删除和状态查询等参数semid：为semget的返回值参数sem_num：指定特定的信号量参数ctl_arg 是一个联合体，对应三种不同功能的semctl调用#include int semctl(int semid,int sem_num,int command,union semun ctl_arg);union semun int val;/*Value for SETVAL*/struct semid_ds*buf;/*Buffer for IPC_STAT,IPC_SET*/unsigned sh

23、ort*array;/*Array for GETALL,SETALL*/6.2.3 信号量信号量参数command：有三种功能：标准的IPC函数：IPC_STAT 取得信号量状态信息IPC_SET设置信号量状态信息IPC_RMID 从系统中删除信号量集合单信号量操作：GETVAL 返回信号量的值SETVAL 把信号量的值写为ctl_arg.valGETPID 返回sempid值GETNCNT 返回semncnt(正在等待资源的进程数目)GETZCNT 返回semzcnt(完全空闲的资源的进程数目)全信号量操作：GETALL 把所有信号量的semvals值写入ctl_arg.arraySETA

24、LL 用ctl_arg.array中的值设置所有信号量的semvals6.2.3 信号量信号量IPC命令状态命令$ipcs s删除命令$ipcrm s 768$ipcrm sem 7686.2.3 信号量信号量例程：创建信号量#include#include#include#include#include int main(void)int semid;int nsems=1;int flags=0666;struct sembuf buf;semid=semget(IPC_PRIVATE,nsems,flags);if(semid 0)perror(“semget”);exit(EXIT_F

25、AILURE);printf(“semphore created:%dn”,semid);buf.sem_num=0;buf.sem_op=1;buf.sem_flg=IPC_NOWAIT;if(semop(semid,&buf,nsems)0)perror(“semop”);exit(EXIT_FAILURE);system(“ipcs s”);exit(EXIT_SUCCESS);6.2.3 信号量信号量例程：删除信号量int main(int argc,char*argv)int semid;if(argc!=2)puts(“USAGE:sctl”);exit(EXIT_FAILURE)

26、;semid=atoi(argv1);if(semctl(semid,0,IPC_RMID)0)perror(“semctl IPC_RMID”);exit(EXIT_FAILURE);else puts(“semaphore removed”);system(“ipcs s”);exit(EXIT_SUCCESS);#include#include#include#include#include 6.2.3 信号量信号量例程：进程同步操作#include#include#include#include#include int pid,semid;struct sembuf P,V;union

27、 semun arg;int main(void)arg.val=1;semid=semget(IPC_PRIVATE,1,0666|IPC_CREAT);semctl(semid,0,SETVAL,arg);P.sem_num=0;P.sem_op=-1;P.sem_flg=SEM_UNDO;V.sem_num=0;V.sem_op=1;V.sem_flg=SEM_UNDO;if(pid=fork()=-1)perror(“fork”);exit(1);else if(pid=0)semop(semid,&P,1);sleep(1);printf(“hello I am childn”);s

28、emop(semid,&V,1);else semop(semid,&P,1);sleep(5);printf(“hello I am parentn”);semop(semid,&V,1);semctl(semid,IPC_RMID,0);exit(0);6.2.4 消息队列消息队列msgget函数：功能为创建和访问消息队列参数key：为标识好的消息队列参数permflags：有两个值可选择：#includeint msgget(key_t key,int permflags);IPC_CREAT 创建新的队列IPC_EXCL 与IPC_CREAT合用，如要创建的队列已存在，返回值为-16.

29、2.4 消息队列消息队列例程：创建消息队列int main(int argc,char*argv)int qid;key_t key;key=123;if(qid=msgget(key,IPC_CREAT|0666)0)perror(“msgget:create”);exit(EXIT_FAILURE);printf(“created queue id=%dn”,qid);if(qid=msgget(key,0)0)perror(“msgget:open”);exit(EXIT_FAILURE);printf(“opened queue id=%dn”,qid);exit(EXIT_SUCCE

30、SS);#include#include#include#include#include 6.2.4 消息队列消息队列msgsnd函数：功能为向消息队列添加信息msgrcv函数：功能为从队列中读取消息参数mqid：由msgget返回获得的参数message：由用户自定义的结构参数flags：只有一个有意义的值IPC_NOWAIT，当消息无法返回，调用立即返回，返回值为-1参数msg_type：决定实际将读到的是哪条消息.如果是0，就获取队列的第一个可用消息。如果它的值大于0，将获取具有相同消息类型的第一个消息，如果小于0，将获取消息类型等于或者小于msg_type的绝对值的第一个消息。#inc

31、lude int msgsnd(int mqid,const void*message,size_t size,int flags);int msgrcv(int mqid,void*message,size_t size,long msg_type,int flags);6.2.4 消息队列消息队列msgctl函数：功能为使进程获取有关消息队列的状态信息、改变与队列有关的限制或从系统删除一个队列参数mqid：有效的队列标识符参数command：有三个值IPC_STAT 告诉系统把状态信息存入msq_stat中IPC_SET 用于通过msq_stat中存放的信息为消息队列设置控制变量的值IPC

32、_RMID 从系统中删除消息队列参数msq_stat：指向msqid_ds结构的指针#include int msgctl(int mqid,int command,struct msqid_ds*msq_stat);6.2.4 消息队列消息队列例程：发送与接收#include#include#include#include#include#include int main()int qid,len;struct msgbuf sndmsg;struct msgbuf rcvmsg;if(qid =msgget(IPC_PRIVATE,IPC_CREAT|0666)=-1)perror(“ms

33、gget”);exit(1);sprintf(sndmsg.mtext,“hello”);sndmsg.mtype=1;len=strlen(sndmsg.mtext);if(msgsnd(qid,&sndmsg,len,0)0)perror(“msgsnd”);exit(1);puts(“message posted”);sleep(1);if(msgrcv(qid,&rcvmsg,len,0,0)0)perror(“msgrcv”);exit(1);puts(“message received”);rcvmsg.mtext5=0;printf(“This message is%sn”,rc

34、vmsg.mtext);msgctl(qid,IPC_RMID,NULL);exit(0);6.2.5 共享内存共享内存功能共享存储操作使得两个或两个以上的进共享存储操作使得两个或两个以上的进程可以共用一段物理内存程可以共用一段物理内存特点一般情况下，两个进程的数据区是完全一般情况下，两个进程的数据区是完全独立的，通常它在所有的独立的，通常它在所有的IPCIPC机制中是最机制中是最有效的有效的共享内存原理6.2.5 共享内存共享内存进程进程A A的的逻辑地址空间逻辑地址空间进程进程B B的的逻辑地址空间逻辑地址空间物理内存物理内存6.2.5 共享内存共享内存shmget函数：功能为创建一段内存

35、用于进程共享数据参数key：内存段的关键值参数size：内存段所需最小字节数参数permflags：给出了内存段的访问权限当Key取值为IPC_PRIVATE，则函数将创建一块新的共享内存；#include int shmget(key_t key,size_t size,int permflags);6.2.5 共享内存共享内存例程：创建共享内存#include#include#include#include#include#define BUFSZ 4096int main(void)int shmid;if(shmid=shmget(IPC_PRIVATE,BUFSZ,0666)0)pe

36、rror(“shmget”);exit(EXIT_FAILURE);printf(“segment created:%dn”,shmid);system(“ipcs m”);exit(EXIT_SUCCESS);6.2.5 共享内存共享内存shmat函数：功能为将标识的内存段挂接到调用进程的有效地址上参数shmid：表示的共享内存段参数daddr：控制调用选择的地址，一般设置为NULL,让系统自动分配地址。参数shmflags有2个值：SHM_RDONLY 使内存段只读挂接SHM_RND 使挂接的地址可以在daddr的一页范围内变动如不设置，shmat将精确使用daddr的值#include

37、void*shmat(int shmid,const void*daddr,int shmflags);6.2.5 共享内存共享内存shmdt函数：取消共享内存的挂接参数shmadr：取消挂接的共享内存。注意取消挂接的共享内存并未删除它，只是使该共享内存对当前进程不再可用。#include int shmdt(char*shmadr);6.2.5 共享内存共享内存shmctl函数：功能为对共享内存进行控制管理功能使用与msgctl函数类似，其中command参数可以取以下参数：IPC_STAT 把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存当前状态IPC_SET 进程有足够权限，把共享内存状态设

38、置成shmid_ds中给出的值IPC_RMID 删除共享内存段#include int shmctl(int shmid,int command,struct shmid_ds*shm_stat);struct shmid_ds uid_t shm_perm.uid;uid_t shm_perm.gid;mode_t shm_perm.mode;6.2.5 共享内存共享内存例程：共享内存#include#include#include#include#include int main()int shmid;char*shmbuf;pid_t pid;key_t key;shmid=shmget

39、(IPC_PRIVATE,100,IPC_CREAT|0777);if(shmid=-1)perror(shmid);exit(1);shmbuf=shmat(shmid,NULL,0);if(shmbuf=(void*)-1)perror(shmat);exit(1);pid=fork();if(pid=-1)perror(fork);exit(1);if(pid=0)strcpy(shmbuf,this is child);shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);else printf(%sn,shmbuf);wait(NULL);exit(0);6.3 关于进程通信关于进程通信执行效率：通过文件或命名管道进行数据传输操作，系统内核复制数据会进行内核空间及用户空间的切换，其中文件操作，还需将数据复制到存储设备上，再从设备复制出去，共享内存也同样会对存储设备进行操作。连接和无连接：文件与共享内存的特点是，数据保存其中，多个进程可同时访问。FIFO要建立连接，因为数据在做交换前，读操作与写操作进程都需做好FIFO的连接。Copyright 2008 版权所有 东软集团