操作系统（进程通信）
一、进程间通信介绍
什么是进程间通信：
进程间通信（Interprocess communication 也叫IPC）：指两个或多个进程之间进行数据交互的过程。
为什么进程之间需要通信：
由于进程采用的是虚拟空间+用户态/内核态机制，所以就导致进程与进程之间、进程与内核之间是互相独立的，如果想让多个进程协同工作解决复杂问题，就需要进程之间进行通信。
那类型的问题需要多进程协同工作：
进程的运行机制：
从人类的感知来讲，所有进程是并行执行，但实际情况是所以进程轮流使用CPU，只是轮转的速度比较快，人类感受不到，CPU的一个内核就是一个运算单位，可以供一个进行使用（这也是CPU厂商不断追求CPU内核的数量原因）,CPU内核越多，同时执行的进程就越多。
CPU密集型问题：
主要特点是需要进行大量的计算，消耗CPU资源，比如计算圆周率、对视频进行高清解码等等，全靠CPU的运算能力，负责运算的进程越多，竞争得到的执行时间就越长。但是任务越多，花在任务切换的时间就越多，CPU执行任务的效率就越低，是一种损人不利已的做法。所以，要最高效地利用CPU，计算密集型任务同时进行的数量应当等于CPU的核心数。
IO密集型问题：
主要涉及到网络、磁盘IO的任务都是IO密集型任务，这类任务的特点是CPU消耗很少，任务的大部分时间都在等待IO操作完成（因为IO的速度远远低于CPU和内存的速度）。对于IO密集型任务，任务越多，CPU效率越高，但也有一个限度，因为创建进程也需要相关的资源，比如代码段、栈、文件描述符表、环境变量表。
所以处理CPU密集型程序时可以选择多进程实现，有效的利用多核提升效率；而IO密集型的由于99%的时间都花在IO上，花在CPU上的时间很少，所以多线程也能提高很大效率。
二、简单的进程间通信
命令行参数：
情况1：在终端执行程序时，给子进程传递命令行参数。
情况2：使用vfork+exec创建进程时，给子进程传递命令行参数。
只能在父子进程之间，在父进行创建子进程时使用，只能由父进行传递给子进程，单向通信，并且只能传递一些简单的字符串数据。
环境变量表：
情况1：使用fork创建子进程时，子进程会拷贝一份父进程的环境变量表。
情况2：使用vfork+exec创建进程时，给子进程传递一份父进程的环境变量表，子进程拿到环境表后会进行拷贝。
只能在父子进程之间，父进行创建子进程时使用，只能由父进行传递给子进程，单向通信，并且只能传递一些简单的字符串数据。
信号：
情况1：使用kill向指定的进程发送信号进行通信。
情况2：使用sigqueue向指定的进程发送信号，也可以附带一些简单的数据。
可以在任意进程之间进行通信，但也只能是互相告知某某事件发生了，即使用能使用sigqueue带一些数据，但只有能传递一个int类型整数，只有通过fork创建的子进程才能传递内存地址。
文件：
情况1：使用文件+信号，让任意两个进程之间传递大量数据，但要各自控制好位置指针，协调好读写时间。
情况2：使用文件+文件锁，也可以让任意两个进程之间传递大量数据，但文件锁的操作比较麻烦，也有可能陷入死锁的情况。
单纯的使用文件进行通信，无法协调读取和写入的时间，空间造成文件内的数据混乱，所以必须配合使用信号或文件锁。
三、传统的进程间通信——管道通信
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管道是UNIX系统中最古老的进程间通信方式，是一种特殊文件读写机制
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当进程从管道文件中读取数据时，如果管道中没有数据则进程会进入阻塞状态，直到有数据读取出来才返回，因此不需要借助信号、文件锁来协调读写时间
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管道中的数据一旦读取完毕就会消失，因此也不需要管理文件的位置指针，所以使用管道文件比普通文件的进程间通信要方便很多
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古老的好处是所有系统都支持，早期的管道文件是半双工，现在有些系统支持管道文件的全双工，现在绝大多数情况已经不使用管道来通信了
有名管道：
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在文件系统中创建出一个实体的有文件名的管道文件，然后通过系统I/O的相关API来进行相关操作
使用函数创建：
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 功能：创建一个有名管道文件 pathname:管道文件的名字 mode:管道文件的权限 返回值：成功返回0 失败-1
使用命令创建：
mkfifo <file>
管道单向通信的编程模型：
进程A -> 进程B 创建有名管道 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
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc,const char* argv[])
{// 创建管道文件if(mkfifo("fifo",0644)){perror("mkfifo");return -1;}
// 打开管道int fd = open("fifo",O_WRONLY);if(0 > fd){perror("open");unlink("fifo");return -1;}
char buf[256] = {};
for(;;){printf(">>>");// 使用封装好的my_gets()gets(buf);// 写文件 发送数据write(fd,buf,strlen(buf));// 检查是否quitif(0 == strcmp(buf,"quit")){printf("通信结束\n");usleep(1000);break;}}// 关闭管道close(fd);
// 删除管道unlink("fifo");
}
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc,const char* argv[])
{// 打开管道int fd = open("fifo",O_RDONLY);if(0 > fd){perror("open");return -1;}
char buf[256] = {};
// 读数据for(;;){read(fd,buf,sizeof(buf));printf("read:%s\n",buf);
if(0 == strcmp(buf,"quit")){printf("通信结束\n");break;}}
// 关闭管道close(fd);
}
匿名管道：
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只在内核中创建的管道文件对象并返回该对象的文件描述符，然后使用系统IO进行相关操作，匿名管道文件不会在文件系统中显示，在创建时不需要提供路径，也不会占用磁盘空间，只是使用内核空间来临时存储数据，当关闭文件描述符后会自动回收
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注意：只适合fork创建的有关系的父子进程之间进行通信
相关API:
#include <unistd.h> int pipe(int pipefd[2]); 功能：创建出匿名管道文件对象，并返回该对象的文件描述符 pipefd：输出型参数，用于存储文件描述符的数组，其中pipefd[0] 用于读操作pipefd[1] 用于写操作 使用步骤：1、调用该函数在内核中创建出管道文件，并获取到该文件的两个文件描述符2、通过fork创建出子进程，子进程可以直接拷贝父进程的pipefd描述符3、写数据的进程要关闭读端，读数据的进程要关闭写端4、发送完毕后，父子进程分别关闭文件描述符
编程模型：
父进程 -> 子进程创建匿名管道 创建子进程 拷贝一对fd关闭读端(fd[0]) 关闭写端(fd[1])写数据(fd[1]) 读数据(fd[0])关闭写 关闭读
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main(int argc,const char* argv[])
{// 创建匿名管道int fd[2] = {};if(pipe(fd)){perror("pipe");return -1;}
// 创建子进程if(fork()){// 父进程 负责写 关闭读close(fd[0]);char buf[256] = {};for(;;){printf("父进程>>>");gets(buf);write(fd[1],buf,strlen(buf));if(0 == strncmp(buf,"quit",4)){printf("通信结束\n");break;}usleep(1000);}usleep(1000);close(fd[1]);usleep(1000);}else{// 子进程 负责读 关闭写close(fd[1]);char buf[256] ={};
for(;;){read(fd[0],buf,sizeof(buf));printf("read:%s\n",buf);if(0 == strncmp(buf,"quit",4)){printf("父进程要结束通信\n");break;}}close(fd[0]);}
}
四、XSI机制的进程间通信
1、XSI介绍：
什么是XSI：
X/Open国际联盟有限公司是一个欧洲基金会，它的建立是为了向UNIX环境提供标准，XSI是X/Open System Interface的缩写，也就是X/Open设计的系统接口。
X/Open的主要的目标是促进对UNIX系统、接口、网络和应用的开放式系统协议的制定。它还促进在不同的UNIX环境之间的应用程序的互操作性，以及支持对电气电子工程师协会对UNIX的可移植操作系统接口规范。
IPC对象：
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它用于进程间通信的XSI-IPC内核对象,类似于匿名管道、文件内核对象一样,通过使用XSI方式进行进程间通信时，系统会在内核中创建出一个XSI-IPC内核对象，让通信的进程能够共同访问该内核对象
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XSI-IPC对象只存在于内核空间，不会在文件系统中显示，该对象需要通过IPC键值来创建和获取
IPC键值：
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用于创建\获取 IPC对象的凭证，是一个无符号的整数，相当于IPC对象的名字，类似于文件名
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在创建IPC对象时，需要创建者提供一个IPC键值，有点类似给文件取名字，但是所有已经存在的IPC对象都在同一个作用域下，因此所有进程都可以访问到，所有有很大重名的风险，所以不建议创建者自己瞎想一个IPC键值去创建IPC对象，而应该使用操作系统提供的一个自动生成IPC键值的API
#include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> key_t ftok(const char *pathname, int proj_id); 功能：根据项目路劲和项目编号 自动生成一个ipc键值 pathname：建议提供当前项目的路径 proj_id：项目编号 返回值：会根据项目路径和编号来计算出一个IPC键值，但是只是根据字符串内容来计算，不会检查路径是否为假 注意：使用时，建议提供当前的正确的工作路径，以及不同的项目编号，就可以获得不同的IPC键值，通过不同的IPC键值来创建不同的IPC对象 但是获取时，需要拿到相同的IPC对象，因此需要拿相同的IPC键值，因此提供相同路径和编号即可获取
IPC描述符：
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类似于文件描述符，是一个非负整数，它是IPC内核对象的给用户空间来访问的凭证
显示IPC对象命令：
ipcs -m #查看共享内存IPC对象 memory ipcs -q #查看消息队列IPC对象 queue ipcs -s #查看信号量IPC对象 sem ipcs -a #查看所有的IPC对象
删除IPC对象命令：
ipcrm -m id #删除共享内存IPC对象 ipcrm -q id #删除消息队列IPC对象 ipcrm -s id #删除信号量IPC对象
2、共享内存：
基本原理：
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在内核中开辟一块内存，可以让其它进程的虚拟地址与这块内存进行映射，从而达到让多个进程共享一块内存的目的，当一个进程向这块内存写数据时，其它进程就都可以读取到，这就达到了通信的目的
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优点：这种通信方式不存在数据的复制，是最快的进程间通信方式
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缺点：需要考虑同步访问的问题（用信号）
使用方式：
当一个进程向共享内存写入数据时，内核不会通知其他进程，进程从共享内存读取数据时，也无法分辨是否是通信的对方新写入的数据，为解决该问题，有以下方式：
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读写：一个进程只负责写，另一个只负责读，这要负责读的进程使用的是最新即可，是一种单向通信
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轮询：配合定时器或者闹钟，每隔一段时间就读取一次
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中断：配合信号，进程只要往共享内存中写入数据，就给对方发送一个约定好的信号，其它进程如果已经读取完共享内存也可以发送一个约定好的信号
相关API：
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：创建\获取一个共享内存的IPC对象
key：IPC键值，类似于文件名
size：共享内存的字节数，建议取内存页字节数的整数倍，默认1页=4096字节如果是想要创建，则必须指定size的大小如果是获取已有的共享内存，这size可取0即可
shmflg：0 -表示该参数无效，获取共享内存，size也无效了IPC_CREAT -创建共享内存IPC_EXCL -如果已经存在同一个IPC对象，返回失败mode -共享内存的权限，当创建共享内存时必须加上例如：IPC_CREAT|0644
返回值：IPC描述符，失败-1
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
功能：加载共享内存（把进程中的虚拟地址与内核中的共享内存建立映射关系）
shmid：IPC描述符，要映射哪条共享内存
shmaddr：想要映射的虚拟地址，可以给NULL由操作系统自动分配
shmflg：0 - 以读写方式映射共享内存SHM_RDONLY - 以只读方式映射共享内存
返回值：映射成功后的虚拟内存首地址，失败返回-1int shmdt(const void *shmaddr);
功能：取消虚拟内存与共享内存的映射，也叫卸载共享内存
shmaddr：要取消映射的虚拟内存地址int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
功能：销毁共享内存、获取共享内存属性、设置共享内存的属性
shmid：IPC描述符
cmd：IPC_SET -设置共享内存的属性 buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置IPC_STAT -获取共享内存属性 buf输出型参数IPC_RMID -删除共享内存 buf给NULL即可，-删除并非真正直接删除，而是对共享内存的使用计数-1，如果该计数被-1为0后，意味着系统中没有任何的进程映射这块共享内存，才会从内核中真正销毁它struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm; // 属主和权限信息size_t shm_segsz; // 共享内存的大小time_t shm_atime; // 最后映射时间（加载）time_t shm_dtime; // 最后取消映射的时间（卸载）time_t shm_ctime; // 最后内存内容修改时间pid_t shm_cpid; // 创建者pidpid_t shm_lpid; // 最后加载、卸载者pidshmatt_t shm_nattch; // 当前映射的进程数的计数器...
};
struct ipc_perm {key_t __key; // IPC键值uid_t uid; // 属主idgid_t gid; // 属主组iduid_t cuid; // 创建者idgid_t cgid; // 创建者组idunsigned short mode; // 权限unsigned short __seq; // 序列号
};
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并通知对方 接收到通知后读取数据接收到通知后读取数据 写数据并通知对方取消映射 取消映射删除共享内存
// shmA.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
static int shmid;
static char* shm;
// 接收到对方发送信号 才读取数据
void sigread(int num)
{printf("\nread:%s\n",shm);if(0 == strncmp(shm,"quit",4)){ printf("对方不想鸟你了\n");
// 取消映射if(shmdt(shm)){perror("shmdt");exit(EXIT_FAILURE);}
// 删除共享内存if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)){perror("shmctl");exit(EXIT_FAILURE);} // 必须结束进程 return没有用exit(EXIT_SUCCESS);}
}
int main(int argc,const char* argv[])
{signal(SIGRTMIN,sigread);printf("我是进程%u\n",getpid());
// 创建共享内存shmid = shmget(ftok(".",110),4096,IPC_CREAT|0644);if(0 > shmid){perror("shmget");return EXIT_FAILURE;}
// 映射共享内存shm = shmat(shmid,NULL,0);if((void*)-1 == shm){perror("shmat");return EXIT_FAILURE;}
// 获取对方的进程idpid_t pid = 0;printf("请输入与我通信的进程ID:");scanf("%u",&pid);
// 写入数据并通知对方for(;;){printf(">>>");scanf("%s",shm);
// 发送信号kill(pid,SIGRTMIN);if(0 == strncmp(shm,"quit",4)){printf("你终止通信了\n");break;}}
// 取消映射if(shmdt(shm)){perror("shmdt");return EXIT_FAILURE;}// 删除共享内存if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)){perror("shmctl");return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}
3、消息队列：
基本原理：
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由系统内核维护的一个链式队列，每个节点称为一条消息，每条消息由消息类型、数据、长度信息组成
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和管道类似，可以双向通信，并且从中读取一个消息后，会自动出队，而且不是按照顺序读取，是按照消息类型读取
相关API：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);
功能：创建\获取消息队列
key:IPC键值
msgflg：0 -获取，不存在则失败IPC_CREAT -创建，不存在则创建，存在会获取，除非IPC_EXCL -排斥，已存在则创建失败mode -消息队列权限，创建时必给
返回值：IPC描述符，失败-1int 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描述符
msgp：提供一个包含有消息类型和消息内容的消息包内存块，参考格式如下：struct msgbuf {long mtype; // 消息类型char mtext[1]; // 消息内容，也可以使用柔性数组};
msgsz：提供消息包中消息内容的字节数，不包含消息类型的字节数
msgflg：0 -如果当消息队列中没有空闲空间，该函数会一直阻塞IPC_NOWAIT -当消息队列中没有空闲空间，不会阻塞，返回-1
返回值：成功0 失败-1
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
功能：从消息读取消息包
msqid：IPC描述符
msgp：接收消息包的结构体首地址，也是由消息类型+消息内容组成，输出型参数
msgsz：消息包的字节数，如果实际消息包的大小>msgsz，会立即返回-1
msgtyp：要接收的消息类型0 -获取消息队列中的第一条消息>0 -获取指定消息类型的消息<0 -获取消息队列中，消息类型小于或等于abs(msgtyp)的消息，如果有多个，则接收最小值的
msgflg:0 阻塞等待IPC_NOWAIT 如果消息队列中没有该消息类型的消息，直接返回MSG_EXCEPT 获取消息队列中第一个不等于msgtyp的消息，msgtyp>0MSG_NOERROR 如果包含它，则当消息包的大小>msgsz时，不会报错，并接收msgsz字节
返回值：成功接收到的消息的字节数
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
功能：销毁消息队列、获取消息队列属性、设置消息队列属性
shmid：IPC描述符
cmd：IPC_SET -设置共享内存的属性 buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置IPC_STAT -获取共享内存属性 buf输出型参数IPC_RMID -删除共享内存 buf给NULL即可
struct msqid_ds {struct ipc_perm msg_perm; // 与shmctl的一致time_t msg_stime; /* Time of last msgsnd(2) */time_t msg_rtime; /* Time of last msgrcv(2) */time_t msg_ctime; // 最后属性修改时间unsigned long __msg_cbytes; // 消息队列中的字节数msgqnum_t msg_qnum; // 消息队列中的消息数msglen_t msg_qbytes; // 消息队列运行的最大字节数pid_t msg_lspid; /* PID of last msgsnd(2) */pid_t msg_lrpid; /* PID of last msgrcv(2) */
};
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(type:a) 接收消息(type:a)接收消息(type:b) 发送消息(type:b) 销毁消息队列