IPC机制 通信

通信概念说明

进程间通信目的

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程

• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。

• 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。

• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

进程间通信的本质

1. 让不同的进程之间，看到同一份“资源”——即能都访问特定形式的内存空间。

2. 由于进程之间存在独立性，因此用于通信的“资源”不能由进程创建，而有操作系统提供。

3. 访问这段“资源”，本质上就是访问“操作系统”。因此我们需要使用系统调用接口,通信模块(IPC)。

4. 共享的资源类似于父子进程fork（）之后不发生“写实拷贝”的情况。

总结：管道的本质就是内核在内存中开辟了一个缓冲区，这个缓冲区与管道文件相关联，对管道文件的操作，被内核转换成对这块缓冲区的操作。

通信手段

匿名管道

$ command1 | command2

• 其中|被称为管道符。

管道

• 从一个进程连接到另一个进程的一个数据流称为一个“管道”（单向通信）。也就是半双工通信，如果想实现相互通信（全双工通信），我们需要创建两个管道才行。

• 但一般程序fork之后，子进程会继承父进程的文件描述符表，也就继承了其读写权限。 管道则不同

• 通过文件描述符控制达到单向通信——管道的原理。

管道的特征

1. 具有血缘关系的进程才能进行进程间通信。

2. 管道只能单向通信。

3. 父子进程是会进行协同，同步和互斥的——主要是为了保护管道文件的数据安全。

4. 管道只能传输无格式的字节流。

5. 管道资源是有固定大小的。（PIPE_BUF）

管道的情况

• 读写端正常，管道如果为空，那么读端就要阻塞。

• 读写端正常，管道如果被写满，写端就要被阻塞。

• 如果读端正常读，写端关闭，读端就会读到0，表明读到了文件(pipe)结尾，不会被阻塞。

• 如果写端正常写，读端关闭。那么操作系统就会kill正在写入的进程。

共享内存

• 共享内存如何创建的？

  1. 需要使用共享内存的进程，通过系统调用，从物理内存中申请内存。

  2. 将这申请的这部分空间的首地址通过页表映射到**进程地址空间的共享区**中。

  3. 共享内存机制来说，仅在建立共享内存区域时需要系统调用，一旦建立共享内存，所有的访问都可作为常规内存访问，无需借助内核。

  4. 因此，数据就不需要在进程之间来回拷贝，所以这是最快的一种进程通信方式。

  5. 大小一般是4096（假设页的大小是4kb）的整数倍。

共享内存的特点

1. 共享内存申请完毕之后，当作一般的内存使用即可，不需要使用系统调用，共享内存内的数据，由用户自己维护。

2. 共享内存是所有进程间通信中，速度最快的。

什么是共享内存标识符

• shmid——共享内存标识符。

• 可以通过int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)返回值得到。

形参	含义
int shmflg	权限

如何让不同进程看到同一个共享内存？

• 不同的共享内存之间有不同的key值——key值的唯一性，我们可以使用ftok()去创建一个key。

• 只有有相同的pathname和proj_id，ftok()就可以生成相同的key。

• 第一个进程创建共享内存之后，会产生key,第二个之后的进程，只需要拿着同一个key，就可以和第一个进程看到同一个共享内存了。

• 对于一个已经创建好的共享内存，它的key就存在于共享内存的描述对象中。

ipcs -m可以查看共享内存信息。

key和shmid区别

Key：用来表示操作系统内唯一性，即内核层使用。

Shmid：共享内存标识符只在你的进程内，用来表示资源的唯一性，即在用户层使用。

共享内存的生命周期

共享内存的生命周期是随内核的，除非用户主动关闭（释放）或者内核重启。

进程与共享内存之间的连接

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

• 其中shmaddr代表的是共享内存在内存中的位置，一般给空（nullptr），会自动记录到进程的共享区。

• 通信时独立的一个模块，模型内也会记录如缓冲区大小之类的信息

常用共享内存函数

函数	原型	说明
shmget	int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);	创建或获取一个共享内存段。
shmat	void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);	将共享内存段附加到进程的地址空间。
shmdt	int shmdt(const void *shmaddr);	将共享内存段从进程的地址空间分离。
shmctl	int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);	控制共享内存段，例如删除共享内存段。

消息队列

• 管道这种进程通信方式虽然使用简单，但是效率比较低，不适合进程间频繁地交换数据，并且管道只能传输无格式的字节流。为此，消息传递机制（Linux 中称消息队列）应用而生。比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程在需要的时候自行去消息队列中读取数据就可以了。同样的，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。

消息队列有关函数

函数	原型	说明
msgget	int msgget(key_t key, int msgflg);	创建或获取一个消息队列。
msgsnd	int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);	将消息发送到消息队列。
msgrcv	ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);	从消息队列接收消息。
msgctl	int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);	控制消息队列，例如删除消息队列。

• msqid：消息队列标识符。

共享内存，消息队列，信号量的结构体信息

shmid_ds 结构体

成员	类型	说明
struct ipc_perm shm_perm	struct ipc_perm	权限结构体，包含所有者、组和模式信息。
size_t shm_segsz	size_t	共享内存段的大小（字节）。
time_t shm_atime	time_t	最后一次附加操作的时间。
time_t shm_dtime	time_t	最后一次分离操作的时间。
time_t shm_ctime	time_t	最后一次改变操作的时间。
pid_t shm_cpid	pid_t	创建共享内存段的进程 ID。
pid_t shm_lpid	pid_t	最后一个操作共享内存段的进程 ID。
shmatt_t shm_nattch	shmatt_t	当前附加到该段的进程数量。

msqid_ds 结构体

成员	类型	说明
struct ipc_perm msg_perm	struct ipc_perm	权限结构体，包含所有者、组和模式信息。
time_t msg_stime	time_t	最后一次消息发送操作的时间。
time_t msg_rtime	time_t	最后一次消息接收操作的时间。
time_t msg_ctime	time_t	最后一次改变操作的时间。
unsigned long msg_cbytes	unsigned long	当前队列中的字节数。
msgqnum_t msg_qnum	msgqnum_t	当前队列中的消息数。
msglen_t msg_qbytes	msglen_t	队列中允许的最大字节数。
pid_t msg_lspid	pid_t	最后一个发送消息的进程 ID。
pid_t msg_lrpid	pid_t	最后一个接收消息的进程 ID。

semid_ds 结构体

成员	类型	说明
struct ipc_perm sem_perm	struct ipc_perm	权限结构体，包含所有者、组和模式信息。
time_t sem_otime	time_t	最后一次 semop 操作的时间。
time_t sem_ctime	time_t	最后一次改变操作的时间。
unsigned long sem_nsems	unsigned long	信号量集中的信号量个数。

总结

• 以上IPC对象，他们都具有struct ipc_perm sem_perm结构体。

• ipc_perm* array[] 是一个指向 ipc_perm 结构体的指针数组。其中ipc_perm 结构体，被嵌入到其他用于描述具体IPC对象的数据结构中，方便操作系统进行管理。

如何通过IPC对象存储的下标找到ipc_perm信息

1. 当我们通过下标找到ipc_perm* array[]对应的地址时，这个地址可以理解为是IPC对象的首地址（他们都具有struct ipc_perm sem_perm结构体）。

2. 操作系统区分指针指向的对象的类型。

3.根据此时访问的IPC对象，来对地址进行强制类型转换,转化之后就可以访问当前地址对应的IPC对象内的成员了。

ipc_perm 结构体

成员	类型	说明
key_t key	key_t	IPC 结构的键。
uid_t uid	uid_t	所有者的用户 ID。
gid_t gid	gid_t	所有者的组 ID。
uid_t cuid	uid_t	创建者的用户 ID。
gid_t cgid	gid_t	创建者的组 ID。
mode_t mode	mode_t	访问权限。
unsigned short seq	unsigned short	序列号。

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引用资料

Linux内核六大进程通信机制原理