C语言：进程间通信

only-lucky2024-07-21 15:46

管道

又内核提供，单工，自同步机制。使用广泛。(管道必须凑齐读写双方才能够运行。)

匿名管道

/home/qt/c/linux_c/ipc/pipe

看不到管道的名称，适合有亲缘关系的进程通信。

pipe.c

int pipe(int fildes[2]);

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

#define BUFSIZE 1024
int main()
{
    pid_t pid;
    int ret;
    int pd[2];
    char buf[BUFSIZE];
    int len;
    ret = pipe(pd); // 0是读，1是写
    if(ret<0)
    {
        perror("pipe()");
        exit(1);
    }
    pid = fork();
    if(pid == 0)
    {
        //child read   
        close(pd[1]);
        puts("Child Begin");
        len = read(pd[0],buf,BUFSIZE); //如果父进程不写，那么会阻塞等待
        write(1,buf,len);
        close(pd[0]);
        puts("Child End");
        exit(1);
        puts("Exit");
    }
    else if(pid >0)
    {
        sleep(1);
        // parent write
        close(pd[0]);
        write(pd[1],"Hello\n",6);
        close(pd[1]);
//        wait(NULL);
        exit(1);
    }

    return 0;
}

player.c

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define BUFSIZE 1024
int main()
{
    pid_t pid;
    int ret;
    int pd[2];
    char buf[BUFSIZE];
    int len;
    ret = pipe(pd); // 0是读，1是写
    if(ret<0)
    {
        perror("pipe()");
        exit(1);
    }
    pid = fork();
    if(pid == 0)
    {
        //child read   
        close(pd[1]);
        dup2(pd[0],0); //将管道重定向到标准输入。
        close(pd[0]);
        int fd = open("/dev/null",O_RDWR);
        dup2(fd,1);//关闭文件描述符1，然后文件描述符1执行 /dev/null
        dup2(fd,2);

        execl("usr/bin/mpg123","mpg123","-",NULL);
        perror("excel");
        exit(0);
    
    }

    else if(pid >0)
    {
        close(pd[0]);
        //父进程从网上收数据，在管道中写。
        

        close(pd[1]);
        wait(NULL);
        exit(0);
    }

    return 0;
}

命名管道

mkfifo namedfifo可以创建一个命名管道，文件类型为P

可以看到管道的名称，适合非亲缘关系的进程通信。

mkfifo

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

XSI ->SysV

XSI（System Interface and Headers），代表一种Unix系统的标准 XSI IPC，依托标识符和键来实现的，如同管道靠文件描述符来实现一样。包含了三种通信机制：消息队列，信号量，共享内存。

ipcs命令：可以看到 消息队列，信号量数组，共享内存的信息。

key：ftok();拿到同一个key值。

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id); //hash的原串+杂志。

xxxget xxxop xxxctl

xxx -> msg sem shm

消息队列

消息队列有缓存数据的能力，通过ulimit -a查看

主动端：先发包的一方。

被动端：先收包的一方。

/home/qt/c/linux_c/ipc/xsi/msg/basic

int msgget(key_t key, int msgflg);

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,

int msgflg);

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

proto.h
cpp 复制代码 
#ifndef PROTO_H
#define PROTO_H

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>


#define KEYPATH "/etc/services"
#define KEYPROJ 'a'
#define NAMESIZE 1024


struct msg_st
{
    long mtype;
    char name[NAMESIZE];
    int math;
    int chinese;

};


#endif
snder.c
cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include "proto.h"


int main()
{
    key_t key;

    key = ftok(KEYPATH,KEYPROJ);
    if(key <0)
    {
        perror("ftok()");
        exit(1);
    }
    int msgid;

    msgid = msgget(key,0);
    if(msgid <0)
    {
        perror("msgget");
        exit(1);
    }
    struct msg_st sbuf;
    sbuf.mtype = 1;
    sprintf(sbuf.name,"%s","hello msg");
    sbuf.math = rand()%100;
    sbuf.chinese = rand()%100;

    int len;
    len = msgsnd(msgid,&sbuf,sizeof(sbuf) - sizeof(long),0);
    if(len <0)
    {
        perror("msgsnd()");
        exit(1);
    }
    puts("OK!");
//    msgctl();

    return 0;
}
recv.c
cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#include "proto.h"


int main()
{
    key_t key;

    key = ftok(KEYPATH,KEYPROJ);
    if(key <0)
    {
        perror("ftok()");
    }
    int msgid;
    msgid = msgget(key,IPC_CREAT|0600 );
    if(msgid<0)
    {
        perror("msgget");
    }
    struct msg_st rbuf;
    int len;
    while(1)
    {
        len = msgrcv(msgid,&rbuf,sizeof(rbuf)-sizeof(long),0,0 );
        if(len <0)
        {
            perror("msgrcv");
        }
        printf("NAME  = %s \n",rbuf.name);
        printf("MATH  = %d \n",rbuf.math);
        printf("CHINESE = %d \n",rbuf.chinese);
    }
    msgctl(msgid,IPC_RMID,NULL);

    return 0;
}

命令：ipcrm 删除上述程序中产生的消息队列。ipc -q (msqid号）

消息队列ftp协议

cpp 复制代码 
#ifndef PROTO_H
#define PROTO_H

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>


#define KEYPATH "/etc/services"
#define KEYPROJ 'a'
#define PATHSIZE 1024
#define DATASIZE 1024
enum
{
    MSG_PATH =1,
    MSG_DATA,
    MSG_EOT
}

typedef struct msg_path_st
{
    long mtype; //must be MSG_PATH
    char path[PATHSIZE]; //ASCII带尾0的串

}msg_path_t;

typedef struct msg_data_st
{
    long mtype;
    char data[DATAMAX];
    int datalen;

}msg_data_t;

typedef struct msg_eot_st
{
    long mtype;
}msg_eot_t;

union msg_s2c_un
{
    long mtype; //提取公因子。
    msg_data_t datamsg;
    msg_eot_t  eotmsg;
};

#endif
cpp 复制代码 
#ifndef PROTO_H
#define PROTO_H

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>


#define KEYPATH "/etc/services"
#define KEYPROJ 'a'
#define PATHSIZE 1024
#define DATASIZE 1024
enum
{
    MSG_PATH =1,
    MSG_DATA,
    MSG_EOT
}

typedef struct msg_path_st
{
    long mtype; //must be MSG_PATH
    char path[PATHSIZE]; //ASCII带尾0的串

}msg_path_t;

typedef struct msg_s2c_st
{
    long mtype; /* 用MSG_DATA或者MSG_EOT进行判断*/
    char data[DATAMAX];
    int datalen;
    /*
    datalen >0 :data包
    datalen =0 :eot包
    */
}msg_data_t;

#endif

信号量

路径：c/linux_c/ipc/xsi/sem，P（取资源）V（还资源）操作。

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops,

const struct timespec *timeout);

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>


#define FILENAME  "/tmp/out"
#define PROCNUM (10)

static int semid;

static void P()
{
    struct sembuf op;
    op.sem_num = 0;
    op.sem_op = -1;
    op.sem_flg = 0;

    int ret;
    ret = semop(semid,&op,1);
    while(ret<0)
    {
        if(errno != EINTR || errno != EAGAIN)
        {
            perror("semop");
            exit(1);
        }
    }

}

static void V()
{
    struct sembuf op;
    int ret;
    op.sem_num = 0;
    op.sem_op = 1;
    op.sem_flg = 0;
    ret = semop(semid,&op,1);
    if(ret<0)
    {
        perror("semop");
        exit(1);
    }
}

void func_add(void);

int main()
{
    pid_t pid;
    int i,j,mark;
    int err; 

    semid = semget(IPC_PRIVATE,1,0600);   //匿名ipc,用于父子进程通信
    if(semid <0)
    {
        perror("semget");
        exit(1);
    }
    int ret;
    ret = semctl(semid,0,SETVAL,1);//设置数组0下标的值为1.
    if(ret<0)
    {
        perror("semctl");
        exit(1);
    }

    for(i =0;i<PROCNUM;i++)
    {
        pid = fork();
        if(pid ==0)
        {
            func_add();
            exit(0);
        }
        if(pid >0)
        {

        }
    }

    for(i=0;i<PROCNUM;i++)
    {
        wait(NULL);
    }

    semctl(semid,0,IPC_RMID);
    return 0;
}

void func_add()
{
    FILE*fp;
    char line_buf[1024];
    int len_size = 1024;

    puts("Begin");

    fp = fopen(FILENAME,"r+");

    int fd = fileno(fp);
    P();

    fgets(line_buf,len_size,fp);
    
    fseek(fp,0,SEEK_SET);

    sleep(1);

    fprintf(fp,"%d \n",atoi(line_buf)+1);

    fflush(fp);
    V();

    fclose(fp);
    puts("End");
 }

共享内存

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

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

int shmdt(const void *shmaddr);

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

cpp 复制代码 
#include  <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>


#define MEMSIZE 1024

int main(int argc,char*argv[])
{
    int shmid;
    pid_t pid;

    shmid = shmget(IPC_PRIVATE,MEMSIZE,0600);
    if(shmid<0)
    {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    pid = fork();
    if(pid==0)
    {
        //child write
        char *ptr;
        ptr = shmat(shmid,NULL,0); //共享内存映射。
        if(ptr == (void*)-1)
        {
            perror("shmat");
            exit(1);
        }
        strcpy(ptr,"hello");
        shmdt(ptr); //解除映射
        exit(0);
    }
    if(pid >0)
    {
        wait(NULL);
        //parent read
        char *ptr;
        ptr = shmat(shmid,NULL,0);
        if(ptr == (void*)-1)
        {
            perror("shmat");
            exit(1);
        }
        puts(ptr);
        shmdt(ptr);
        shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
        exit(0);
        
    }

    return 0;
}

网络套接字

网络套接字又称：socket。讨论：跨主机传输要注意的问题。

大小端问题

字节序经常被分为两类：

  1. Big-Endian（大端）：高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

2.Little-Endian（小端）：低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

对于数据 0x12345678，假设从地址0x4000开始存放，在大端和小端模式下，存放的位置分别为：

内存地址 小端模式 大端模式

0x4003 0x12 0x78

0x4002 0x34 0x56

0x4001 0x56 0x34

0x4000 0x78 0x12

采用Little-endian模式的CPU对操作数的存放方式是从低字节到高字节，而Big-endian模式对操作数的存放方式是从高字节到低字节。

小端存储后：0x78563412 大端存储后：0x12345678

字节序问题

TCP/IP各层协议将字节序定义为Big-Endian，

因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。

通常我们说的主机序（Host Order）就是遵循Little-Endian规则

就是我们平常说的大端和小端模式：不同的CPU有不同的字节序类型，这些字节序是指整数在内存中保存的顺序，这个叫做主机序。

主机字节序：host

网络字节序：network

相互转换：to _ ：htons,htonl,ntohs,ntohl

数据对齐问题

结构体在传输数据时会进行内存对齐。解决方式是不进行数据对齐。

类型长度问题

long类型的大小没有指定，char有咩有符号也没有定义。int的大小在16位和32位长度不一样。

解决：int32_t ,uint32_t ,int64_t使用特定的数据类型。

SOCKET

socket是对TCP/IP协议的封装，它的出现只是使得程序员更方便地使用TCP/IP协议栈而已。socket本身并不是协议，它是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层，是一组调用接口（TCP/IP网络的API函数）

"TCP/IP只是一个协议栈，就像操作系统的运行机制一样，必须要具体实现，同时还要提供对外的操作接口。

这个就像操作系统会提供标准的编程接口，比如win32编程接口一样。

TCP/IP也要提供可供程序员做网络开发所用的接口，这就是Socket编程接口。

int socket(int domain, int type, int protocol);

报式套接字

被动端：

1、取得socket

2、给socket取得地址

3、收/发消息

4、关闭socket

主动端：

1、取得socket

2、给socket取得地址(可以省略)

3、收/发消息

4、关闭socket

socket();

bind();

sendto();

recvform();

inet_pton();

inet_ntop();

getsockopt();

setsockopt();

netstat -anu 查看报式套接字的信息。

path: c/linux_c/ipc/socket/udp/basic

定长实现

proto.h
cpp 复制代码 
#ifndef PROTO_H
#define PROTO_H

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>

#define IPSTRSIZE 128
#define NAMESIZE 11
#define RECVPORT "1989" //选择超过1024以上的端口

struct msg_st
{
    uint8_t  name[NAMESIZE]; // 8位相当于char
    uint32_t math;
    uint32_t  chinese;
}__attribute__((packed)); //告诉编译器结构体不用对齐




#endif
recv.c
cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include "proto.h"


int main()
{
    int sd;
    sd  = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); //0代表默认的协议 IPPROTO_UDP
    if(sd <0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    int ret;
    struct sockaddr_in laddr;
    laddr.sin_family = AF_INET;
    laddr.sin_port = htons(atoi(RECVPORT)); // 端口号 host to network 主机序列转为网络序列
    inet_pton(AF_INET,"0.0.0.0",&laddr.sin_addr);  //ip地址 需要转为大整数
    
    ret = bind(sd,(void *)&laddr,sizeof(laddr)); //不同的协议族绑定的地址是不一样的，需要man 7 ip 查看。
    if(ret<0 )
    {
        perror("bind()");
        exit(1);
    }
    struct msg_st rbuf;
    struct sockaddr_in raddr;
    socklen_t raddr_len;
    char ipstr[IPSTRSIZE];
    /* raddr_len如果不初始化，那么第一次地址会出错，后续不会*/
    raddr_len = sizeof(raddr);
    while(1)
    {
        recvfrom(sd,&rbuf,sizeof(rbuf),0,(void *)&raddr,&raddr_len); //recv是流式套接字，recvform是报式，需要记录对端的地址。
        inet_ntop(AF_INET,&raddr.sin_addr,ipstr,IPSTRSIZE);
        printf("---MSSSAGE FORM %s:%d---\n",ipstr, ntohs(raddr.sin_port) ); //大整数转点分式
        printf("NAME = %s\n",rbuf.name);//单字节传输不涉及到大段小端传输转换。
        printf("MATH = %d\n",ntohl( rbuf.math));
        printf("CHINESE = %d\n",ntohl( rbuf.chinese));

    }
    close(sd);

    return 0;
}
snder.c
cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#include "proto.h"


int main(int argc,char**argv)
{
    if(argc<2)
    {
        printf("Usage argc 2...\n");
        exit(1);
    }

    int sd;
    sd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

//     bind(); //可以省略
    int len;
    struct msg_st sbuf;
    struct sockaddr_in raddr;
    strcpy(sbuf.name,"udp test");
    sbuf.math = htonl( rand()%100);
    sbuf.chinese = htonl(rand()%100);

    raddr.sin_family = AF_INET;
    raddr.sin_port = htons(atoi(RECVPORT));
    inet_pton(AF_INET,argv[1],&raddr.sin_addr);

    len = sendto(sd,&sbuf,sizeof(sbuf),0,(void*)&raddr,sizeof(raddr) ); // tcp采用send
    
    if(len <0)
    {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }
    puts("Ok!");
    close(sd);

    return 0;
}

变长实现

path：c/linux_c/ipc/socket/udp/var

proto.h
cpp 复制代码 
#ifndef PROTO_H
#define PROTO_H

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h> /* superset of previous */
#include <arpa/inet.h>

#define IPSTRSIZE 128
#define NAMEMAX 512-8-8  //udp包推荐长度512 - 8 抱头 - 8（已有的math和chinese） 

#define RECVPORT "1989" //选择超过1024以上的端口

struct msg_st
{
//    uint8_t  name[NAMESIZE]; //网络传输不能传递指针。
    uint32_t math;
    uint32_t  chinese;
    uint8_t name[1]; //变长结构体实现。/
}__attribute__((packed)); //告诉编译器结构体不用对齐




#endif
recv.c
cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include "proto.h"


int main()
{
    int sd;
    sd  = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0); //0代表默认的协议 IPPROTO_UDP
    if(sd <0)
    {
        perror("socket");
        exit(1);
    }
    int ret;
    struct sockaddr_in laddr;
    laddr.sin_family = AF_INET;
    laddr.sin_port = htons(atoi(RECVPORT)); // 端口号 host to network 主机序列转为网络序列
    inet_pton(AF_INET,"0.0.0.0",&laddr.sin_addr);  //ip地址 需要转为大整数
    
    ret = bind(sd,(void *)&laddr,sizeof(laddr)); //不同的协议族绑定的地址是不一样的，需要man 7 ip 查看。
    if(ret<0 )
    {
        perror("bind()");
        exit(1);
    }
    struct msg_st* rbufp;
    int size = sizeof(struct msg_st)+NAMEMAX-1;
    rbufp = malloc(rbufp);
    

    struct sockaddr_in raddr;
    socklen_t raddr_len;
    char ipstr[IPSTRSIZE];
    /* raddr_len如果不初始化，那么第一次地址会出错，后续不会*/
    raddr_len = sizeof(raddr);
    while(1)
    {
        recvfrom(sd,rbufp,size,0,(void *)&raddr,&raddr_len); //recv是流式套接字，recvform是报式，需要记录对端的地址。
        inet_ntop(AF_INET,&raddr.sin_addr,ipstr,IPSTRSIZE);
        printf("---MSSSAGE FORM %s:%d---\n",ipstr, ntohs(raddr.sin_port) ); //大整数转点分式
        printf("NAME = %s\n",rbufp->name);//单字节传输不涉及到大段小端传输转换。
        printf("MATH = %d\n",ntohl( rbufp->math));
        printf("CHINESE = %d\n",ntohl( rbufp->chinese));

    }
    close(sd);

    return 0;
}
sender.c
cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#include "proto.h"


int main(int argc,char**argv)
{
    if(argc<3)
    {
        printf("Usage argc 2...\n");
        exit(1);
    }
    if(strlen(argv[2])>NAMEMAX)
    {
        fprintf(stderr,"Name is to Long");
        exit(1);
    }

    int sd;
    sd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

//     bind(); //可以省略
    int len;
    struct msg_st* sbufp;
    int size = sizeof(struct msg_st)+strlen(argv[2]);
    sbufp =malloc(size);
    if(sbufp == NULL)
    {
        perror("malloc()");
        exit(1);
    }
    struct sockaddr_in raddr;
    
    strcpy(sbufp->name,argv[2]);
    sbufp->math = htonl( rand()%100);
    sbufp->chinese = htonl(rand()%100);

    raddr.sin_family = AF_INET;
    raddr.sin_port = htons(atoi(RECVPORT));
    inet_pton(AF_INET,argv[1],&raddr.sin_addr);

    len = sendto(sd,sbufp,size,0,(void*)&raddr,sizeof(raddr) ); // tcp采用send
    
    if(len <0)
    {
        perror("sendto()");
        exit(1);
    }
    puts("Ok!");
    close(sd);

    return 0;
}

多点通信

广播

path:c/linux_c/ipc/socket/udp/bcast

man 7 socket 查看socket Options

ip ro sh：查看路由信息。

ip ro add default via 127.0.0.1：添加路由。

分为：全网广播、子网广播。默认不能够发出，需要特殊设置。

int getsockopt(int sockfd, int level, int optname,

void *optval, socklen_t *optlen);

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,

const void *optval, socklen_t optlen);

int val = 1;

setsockopt(sd,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,&val,sizeof(val));//每一层，每一个要求需要的参数都不一样。SO_BINDTODEVICE 可以指定从哪个网卡出去。

inet_pton(AF_INET,"255.255.255.255",&raddr.sin_addr); //ip地址 255是广播

多播

组播。

流式套接字

netstat -ant 查看流式套接字的信息。

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