《APUE》读书笔记-第十五章进程间通信-阿里云开发者社区

　　进程间通信（IPC）是指能在两个进程间进行数据交换的机制。现代OS都对进程有保护机制，因此两个进程不能直接交换数据,必须通过一定机制来完成。
IPC的机制的作用：
（1）一个软件也能更容易跟第三方软件或内核进行配合的集成,或移植.如管道,在shell 下执行 ps –aux | grep bash。
（2）简化软件结构, 可以把一个软件划分多个进程或线程,通过IPC,集成在一起工作.如消息队列。
（3）让操作系统各个模块交换数据,包括内核与应用程序机制。
（4）提供进程之间或同一进程之间多线程的同步机制,如信号量。

1、管道

　　管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

　　数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
管道的创建：int pipe(int fd[2]) ;
管道的读写：管道文件也是一种文件,用write,read 即可完成读写。管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。
管道的关闭：管道文件也是一种文件,因此用close关闭即可。
　管道的局限：（1）只支持单向数据流；（2）只能用于具有亲缘关系的进程之间；（3）没有名字；（4）管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；（5）管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等。

现在使用管道实现进程的同步，父进程读取子进程输入的数据、子进程读取父进程恢复的数据。实现TELL_WAIT、TELL_PARENT、TELL_CHILD、TELL_PARENT及WAIT_CHILD函数。程序如下：

View Code 
  
    
  
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>

static int fd1[2],fd2[2];

void TELL_WAIT()
{
   pipe(fd1);
   pipe(fd2);
}

void TELL_PARENT(pid_t pid)
{
   write(fd2[1],"c",1);
}
void WAIT_PARENT(void)
{
   char c;
   read(fd1[0],&c,1);
   if(c!='p')
   {
       printf("WAIT_PARENT: Incorretc data");
       exit(0);
   }
   else
     printf("Read from parent.\n");
}
void TELL_CHILD(pid_t pid)
{
   write(fd1[1],"p",1);
}
void WAIT_CHILD()
{
   char c;
   read(fd2[0],&c,1);
   if(c!='c')
   {
       printf("WAIT_CHILD: Incorretc data");
       exit(0);
   }
   else
       printf("Read from child.\n");
}

int main()
{
   pid_t pid;
   TELL_WAIT();
   pid =fork();
   if(pid == -1)
   {
       perror("fork() error");
       exit(-1);
   }
   if(pid == 0)
   {
       printf("child process exec.\n");
       WAIT_PARENT();
       TELL_PARENT(getppid());
   }
   else
   {
       printf("Parent process exec.\n");
       TELL_CHILD(pid);
       WAIT_CHILD();

   }
   exit(0);
} 
    
  

程序执行结果如下：

popen和pclose函数

　　常见的操作时创建一个管道连接到另外一个进程，然后读取其输出或向其输入端发送数据。popen和pcolse函数实现的操作是：创建一个管道，调用fork产生一个子进程，关闭管道的不使用端，执行一个shell以运行命令，然后等待命令终止。函数原型如下：

FILE *popen(const char *command, const char *type);
int pclose(FILE *stream);

函数popen先执行fork，然后调用exec执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针。如果type是“r”，则文件指针连接到cmdstring的标准输出，如果type是“w”，则文件指针连接到cmdstring的标准输入。popen特别适用于构造简单的过滤程序，它变换运行命令的输入或输出。写一个程序，将标准输入复制到标准输出，复制的时候将所有的大写字母变换为小写字母，程序分为两部分，转换程序如下：

View Code 
  
    
  
#include <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   int c;
   while((c = getchar()) != EOF)
   {
       if(isupper(c))
           c= tolower(c);
       if(putchar(c) == EOF)
           printf("output error");
       if(c=='\n')
           fflush(stdout);
   }
   exit(0);
} 
    
  

将可执行文件保存为change。输入输出程序如下：

View Code 
  
    
  
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <errno.h>

#define MAXLINE 1024

int main()
{
   char    line[MAXLINE];
   FILE    *fpin;
   if((fpin = popen(".//change","r")) == NULL)
   {
       perror("popen() error");
       exit(-1);
   }
   for(; ;)
   {
       fputs("prompt> ",stdout);
       fflush(stdout);
       if(fgets(line,MAXLINE,fpin) == NULL)
           break;
       if(fputs(line,stdout) == EOF)
       {
           perror("fputs error to pipe");
       }
   }
   if(pclose(fpin) == -1)
   {
       perror("pclose() error");
       exit(-1);
   }
   putchar('\n');
   exit(0);
} 
    
  

程序执行结果如下

　　协同进程：当一个进程产生某个过滤程序的输入，同时又读取该过滤程序的输出。popen只提供链接到另一个进程的标准输入或标准输出的一个单向管道，对于协同进程，则连接到另一个进程的两个单向管道，一个接到标准输入，一个接标准输出。写个程序展示一下协同进程，程序从标准输入读入两个整数，调用程序计算它们的和，然后将结果输出到标准输出。过滤程序即求和程序如下：

View Code 
  
    
  
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define MAXLINE 1024

int main()
{
   int n,int1,int2;
   char line[MAXLINE];
   while((n=read(STDIN_FILENO,line,MAXLINE)) > 0)
   {
       line[n] = '\0';
       if(sscanf(line,"%d%d",&int1,&int2) == 2)
       {
           sprintf(line,"%d\n",int1+int2);
           n = strlen(line);
           if(write(STDOUT_FILENO,line,n) != n)
           {
               perror("write() error");
               exit(-1);
           }
       }
       else if(write(STDOUT_FILENO,"invalid arg\n",13) != 13)
       {
           perror("write() error");
           exit(-1);
       }
   }
   exit(0);
} 
    
  

编译执行保存为可执行文件为add。

协同程序如下：

View Code 
  
    
  
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#define MAXLINE 1024

static void sig_pipe(int);

int main()
{
   int n,fd1[2],fd2[2];
   pid_t   pid;
   char line[MAXLINE];

   if(signal(SIGPIPE,sig_pipe) ==SIG_ERR)
   {
       perror("signal() error");
       exit(-1);
   }
   if(pipe(fd1) == -1||pipe(fd2) == -1)
   {
       perror("pipe() error");
       exit(-1);
   }
   if((pid =fork()) == -1)
   {
       perror("fork() error");
       exit(-1);
   }
   if(pid == 0)
   {
       close(fd1[1]);
       close(fd2[0]);
       if(fd1[0] != STDIN_FILENO)
           if(dup2(fd1[0],STDIN_FILENO) != STDIN_FILENO)
           {
               perror("dup2 error in stdin");
               close(fd1[0]);
               exit(-1);
           };
       if(fd2[1] != STDOUT_FILENO)
           if(dup2(fd2[1],STDOUT_FILENO) != STDOUT_FILENO)
           {
               perror("dup2 error in stdout");
               close(fd2[1]);
               exit(-1);
           };
       if(execl(".//add","add",(char *)0) == -1)
       {
           perror("execl() error");
           exit(-1);
       }
   }
   else
   {
       close(fd1[0]);
       close(fd2[1]);
       printf("Enter two number: ");
       while(fgets(line,MAXLINE,stdin) != NULL)
       {
           n = strlen(line);
           if(write(fd1[1],line,n) != n)
           {
               perror("write errot to pipe");
               exit(-1);
           }
           if((n=read(fd2[0],line,MAXLINE)) ==-1)
           {
               perror("read error to pipe");
               exit(-1);
           }
           if(n== 0)
           {
               printf("child close pipe.\n");
               break;
           }
           line[n] = '\0';
           printf("The result is: ");
           fputs(line,stdout);
       }
   }
}

static void sig_pipe(int signo)
{
   printf("SIGPIPE caught\n");
   exit(1);
} 
    
  

程序执行结果如下：

2、FIFO

　　FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存在于文件系统中。这样，即使与FIFO的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过FIFO相互通信。FIFO严格遵循先进先出（first in first out），对管道及FIFO的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。

命名管道的命名管道创建：int mkfifo(const char * pathname, mode_t mode) 。
命名管道的打开：命名管道比管道多了一个打开操作：open ，在open时,用O_NONBLOCK 标志表示非阻塞模式,如fd=open(“/tmp/fifo”,O_RDONLY|O_NONBLOCK,0)。
命名管道的读入：read 读取管道数据，读取分为阻塞和非阻塞模式,阻塞模式下,如果没有数据被入,进程会在read处停下来.直到有新数据被写入,或管道被关闭,才会继续。
命名管道的写入：write 写入管道数据，PIPE_BUF表示一次触发管道读操作最大长度.如果每次写入数据长于PIPE_BUF ,write将会多次触发read 操作。
命名管道的关闭：管道文件也是一种文件,因此用close关闭即可。

FIFO的两种用途：

（1）FIFO有shell命令使用以便将数据从一条管道线传送到另一条，为此无需创建中间临时文件。

（2）FIFO用于客户进程—服务器进程应用程序中，以在客户进程和服务器进程之间传递数据。

3、XSI IPC

　消息队列、信号量、共享存储区相似的特征如下：具有标识符和键，标识符是IPC对象的内部名，每个IPC对象都与一个键相关联，创建IPC结构需要指定一个键，键的数据类型为key_t。每个IPC都设置了权限结构。

　　优点及缺点：IPC结构是在系统范围内起作用，没有访问计数。在文件系统中没有名字，不使用文件描述符，不能对它们使用多路转接I/O函数。优点：可靠、流是受控的，面向记录、可以用非先进先出方式处理。

　　消息队列（Messge Queue）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列SystemV消息队列。它克服了前两种通信方式中信息量有限的缺点，具有写权限的进程可以按照一定的规则向消息队列中添加新消息；对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中读取消息。

　　信号量（Semaphore）：主要作为进程之间以及同一进程的不同线程之间的同步和互斥手段。

　　共享内存（Shared memory）：可以说这是最有用的进程间通信方式。它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。这种通信方式需要依靠某种同步机制，如互斥锁和信号量等。

建议：要学会使用管道和FIFO，因为大量应用程序中仍可以有效地使用这两种技术，在新的应用程序中，要尽可能避免使用消息队列及信号量，应当考虑全双工管道和记录锁。

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