概述Linux进程间通信模式

简介: 【2月更文挑战第14天】

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 hello

image.gif

hello 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。


管道的使用模式,也不适合进程间频繁地交换数据。


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。


这个消息结构的定义我写在下面了。这里面的类型 type 和正文 text 没有强制规定,只要消息的发送方和接收方约定好即可。

struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};

image.gif

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。


但是有时候,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。


我们可以创建一个共享内存,调用 shmget。在这个体系中,创建一个 IPC 对象都是 xxxget,这里面第一个参数是 key,和 msgget 里面的 key 一样,都是唯一定位一个共享内存对象,也可以通过关联文件的方式实现唯一性。第二个参数是共享内存的大小。第三个参数如果是 IPC_CREAT,同样表示创建一个新的。

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

image.gif


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
0x00000000 19398656 marc  600    1048576 2      dest

image.gif


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);

image.gif


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);

image.gif

这里就需要一种保护机制,使得同一个共享的资源,同时只能被一个进程访问。在 System V IPC 进程间通信机制体系中,早就想好了应对办法,就是信号量(Semaphore)。因此,信号量和共享内存往往要配合使用。


信号量其实是一个计数器,主要用于实现进程间的互斥与同步,而不是用于存储进程间通信数据。


我们可以将信号量初始化为一个数值,来代表某种资源的总体数量。对于信号量来讲,会定义两种原子操作,一个是 P 操作,我们称为申请资源操作。这个操作会申请将信号量的数值减去 N,表示这些数量被他申请使用了,其他人不能用了。另一个是 V 操作,我们称为归还资源操作,这个操作会申请将信号量加上 M,表示这些数量已经还给信号量了,其他人可以使用了。


信号可以在任何时候发送给某一进程,进程需要为这个信号配置信号处理函数。当某个信号发生的时候,就默认执行这个函数就可以了。这就相当于咱们运维一个系统应急手册,当遇到什么情况,做什么事情,都事先准备好,出了事情照着做就可以了。

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