轻松Linux-9.进程间通信

来了来了

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1.序言

这一章，我们就来看看进程间通信，程序和系统的运作都离不开进程之间的通信。

进程间通信一般是为了以下几点：

**数据传输：**进程间的数据传输。

**资源共享：**将指定的资源共享给多个进程。

**通知事件：**进程工作时，也需要通知其它一个或一组进程，告诉它们发送了什么事件(进程结束时要通知其父进程)。

**进程控制：**有时我们需要一个进程部分或完全控制另一个进程，拦截其它进程所有陷入和异常的状态，以及时的知道该进程的状态，例如：debug时。

进程间通信主要有这几种：

**管道：**又分为匿名管道和命名管道。

**System V IPC：**System V消息队列、System V共享内存、System V信号量。

**POSIX IPC：**消息队列、共享内存、信号量、互斥量、条件变量、读写锁。

IPC（Inter-Process Communication，进程间通信） 是计算机操作系统中，不同进程之间交换数据或同步操作的机制。它允许独立运行的进程（可能由不同用户或程序创建）协调工作，共享资源或传递信息，从而构建复杂的分布式或并行系统。

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2.管道

2.1匿名管道

需要包的头文件
#include <unistd.h>

函数功能：创建一个匿名管道
int pipe(int fd[2]);

参数：传入一个文件描述符数组，fd[0]表示读端，fd[1]表示写端。
      成功返回0，失败返回错误代码。

//从键盘输入，再从管道读取。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    int fd[2];
    char buffer[233];
    int len;

    if(pipe(fd) == -1)
    {
        perror("make pipe");
        exit(1);
    }

    while(fgets(buffer, 233, stdin))
    {
        len = strlen(buffer);
        if(write(fd[1], buffer, len) != len)
        {
            perror("write pipe");
            exit(1);
        }
        
        memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
    
        if((len = read(fd[0], buffer, sizeof(buffer))) == -1)
        {
            perror("read pipe");
            exit(1);
        }
        
        if(write(1, buffer, len) == -1)
        {
            perror("write stdout");
            exit(1);
        }
    }    

    return 0;
}

若要父子间进程通信，可参看下图↓

再关闭父进程或子进程的读端或写端，就可实现一方负责读，一方负责写。

父子进程的文件描述符如下

↓从内核的角度来看就是↓

从这里可以看出，管道其实也被抽象成了文件，内核通过file_operation来调用管道相关的接口。

2.1.1匿名管道的读写以及特点

当管道没有数据可读时(读相关)：

未设置O_NONBLOCK：read函数会被阻塞，即进程会被暂停执行，直到有数据可读为止。

设置了O_NONBLOCK：read调用会返回-1，errno的值会被设置为EAGAIN。

当管道数据已满时(写相关)：

未设置O_NONBLOCK：write同样会被阻塞，直到可以写入为止。

设置了O_NONBLOCK：write调用同样会直接返回-1，并将errno设置为EAGAIN。

EAGAIN是：Linux/Unix 系统中的一个错误码(errno)，表示资源暂时不可用，但稍后重试可能成功。可以理解为"资源暂时不可用，稍后再试"。

如果管道所有写端的文件描述符被关闭，read函数会返回0。

如果管道所有读端的文件描述符被关闭，write函数会产生SIGPIPE信号，进而可能会使write进程退出。

当要写入的数据量不大于PIPE_BUF 时，linux将保证写入 的原子性 。
当要写入的数据量大于PIPE_BUF 时，linux将不再保证写入 的原子性 。 PIPE_BUF 通常为4KB 或512B，取决于系统。

匿名管道一般只能用于有共同祖先(具有亲缘关系，如父子进程)进程的通信，一般是一个进程创建管道，然后调用fork函数，之后父子进程就可以通信了。

管道（Pipe）提供流式服务 ，意味着它以连续、无固定边界的数据流形式传输数据，而非一次性传输完整的数据块。它具有先进先出的特点，有点像水流(字节流)。可以用两个管道来实现全双工(同时进行写或读)。

管道是半双工的，即只能双方交替进行数据传输，不能同时进行读或写，内核会对管道操作进行同步和互斥，并且一般管道的生命周期同进程一样。

2.2命名管道

匿名管道还是不方便，只能用于有亲缘关系进程间的通信，有没有更强的呢？

有的兄弟，有的。命名管道就是一个解决方案，我们可以创建FIFO文件来完成这份工作，FIFO文件就是命名管道。

Shell或者控制台可以用这串指令创建命名管道
mkfifo filename(文件名)

#include <sys/types.h>  // 提供系统数据类型定义（如mode_t）
#include <sys/stat.h>   // 提供文件模式和权限相关定义（如S_IRUSR、S_IWUSR等）

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

参数：
pathname：有名管道的路径名（如 "/tmp/my_fifo"）。
mode：设置管道文件的权限（如 0666 表示所有用户可读写）。

成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

删除管道文件要使用unlink()函数：
#include <unistd.h>  // 包含 unlink() 的声明
 
int unlink(const char *pathname);
参数：
pathname：为要删除的文件或符号链接的路径。

创建好管道后可以使用open()函数来操作，就行文件操作一样。

命名管道与匿名管道的区别：创建、删除和打开略有区别，除此之外几乎没有不同。

2.2.1命名管道的打开规则

如果当前为读打开FIFO文件：

设置O_NONBLOCK：open()函数会阻塞，直到有进程以写打开。

未设置O_NONBLOCK：直接返回成功。但后续read()会返回-1，并设置errno为EAGAIN。

如果当前为写打开FIFO文件：

设置O_NONBLOCK：open()函数会阻塞，直到有进程以读打开。

未设置O_NONBLOCK：直接失败返回-1，errno设置为ENXIO。

目的：确保数据生产者(写端)和数据消费者(读端)同时存在，避免无效操作。

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3.System V共享内存

System V共享内存是最快的IPC方式，只要将内存映射到目标进程的地址空间内，之后的数据传输就不再需要进入内核的系统调用，即不再涉及内核。

↓内核中的数据结构↓

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */
struct shmid_ds {
	struct ipc_perm		shm_perm;	/* operation perms */
	int			shm_segsz;	/* size of segment (bytes) */
	__kernel_time_t		shm_atime;	/* last attach time */
	__kernel_time_t		shm_dtime;	/* last detach time */
	__kernel_time_t		shm_ctime;	/* last change time */
	__kernel_ipc_pid_t	shm_cpid;	/* pid of creator */
	__kernel_ipc_pid_t	shm_lpid;	/* pid of last operator */
	unsigned short		shm_nattch;	/* no. of current attaches */
	unsigned short 		shm_unused;	/* compatibility */
	void 			*shm_unused2;	/* ditto - used by DIPC */
	void			*shm_unused3;	/* unused */
};

System V共享内存所需函数：

定义System V IPC(进程间通信)相关的结构体和常量(如key_t类型、IPC_CREAT、IPC_EXCL等标志)。
#include <sys/ipc.h>

包含共享内存函数的声明及共享内存状态结构体(如struct shmid_ds)的定义。
#include <sys/shm.h>

定义基本数据类型(如key_t、size_t)，这些类型在共享内存操作中用于标识键值和内存大小。
#include <sys/types.h>

提供ftok函数(用于生成唯一的键值key_t)
#include <unistd.h>

//用于创建共享内存
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数：
    key:这个共享内存段名字。
    size:共享内存大小。
    shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的
           取值为IPC_CREAT：共享内存不存在，创建并返回；共享内存已存在，获取并返回。
           取值为IPC_CREAT | IPC_EXCL：共享内存不存在，创建并返回；共享内存已存在，出
           错返回。

返回值：成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1
-------------------------------------------------------------------------------------
//将共享内存映射到进程地址空间
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数：
    shmid: 共享内存标识。
    shmaddr:指定连接的地址。
    shmflg:它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY。
返回值：成功返回一个指针，指向共享内存第一个节；失败返回-1。
注：
1.如果shmaddr为NULL，有系统选择地址。
2.shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。
3.shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍。
  公式：shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)。
4.shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存。
-------------------------------------------------------------------------------------
//让当前进程与共享内存脱离，但不等于删除共享内存片段
int shmdt(const void *shmaddr);
参数：
    shmaddr: 由shmat所返回的指针。
返回值：成功返回0；失败返回-1。
-------------------------------------------------------------------------------------
//控制共享内存
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数：
    shmid:由shmget返回的共享内存标识码。
    cmd:将要采取的动作（有三个可取值）。
    buf:指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构。
返回值：成功返回0；失败返回-1。

cmd参数的取值：
IPC_STAT: 获取共享内存段的状态信息，将内核中的struct shmid_ds数据复制到用户空间的buf指针指向的结构体中。(需要当前进程有共享内存的读权限)
IPC_SET: 修改共享内存的属性（如权限、所有者ID等）。
        仅允许修改struct shmid_ds中的以下字段:
        shm_perm.uid（所有者用户ID）
        shm_perm.gid（所有者组ID）
        shm_perm.mode（权限位，仅低9位有效）。
        需要当前进程的用户ID是共享内存的创建者或所有者。
        即，改变其他进程(所属其他用户或用户组)的访问权限。
IPC_RMID: 删除共享内存段。内核会标记该段为"待删除"，但实际释放内存需等待所有附加进程分离（通过shmdt）后异步完成。
权限需求与IPC_SET一样。

System V消息队列这里不作详细介绍，可以看看其他佬的博文。

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4.System V信号量

System V信号量是一种用于进程间同步与互斥的机制，也属于System V IPC。它通过管理公共资源的访问权限，来协调多个进程对同一份临界区资源的操作，避免数据竞争和不一致的问题。

信号量的本质是：一个非负整数的计数器，用于记录可用资源的数量，我们可以通过P、V操作来对信号量进行操作，实现资源的申请和释放。

一些相关概念：

1.多个执行流(进程)看到的公共资源，称之为共享资源。

2.被保护起来的资源，叫做临界资源。

3.常见的保护方式：同步和互斥。多个执行流，访问临界资源的时候，且有一定的顺序性，为同步。任意时刻，只能有一个执行流访问临界资源，叫做互斥。

4.系统中的某些资源一次只允许一个执行流访问，叫做互斥资源。

5.在程序中涉及到临界资源部分的代码，叫做临界区，代码也可以分为：临界区和非临界区。

所以对共享资源进行保护，实则是在限制访问临界资源的执行流。

信号量：

**一元信号量：**一个非0即1的计数器，用于互斥锁(用于确保只有一个进程可以进行操作)。

**计数信号量：**值可以为任何非负整数，用于管理多份同类资源(例如数据库连接池)。

关键操作--P、V操作(P\V操作是原子的，确保多进程并发时的正确性和唯一性)：

**P操作：**用于申请资源，信号量计数器-1。如果计数器<=0，则会阻塞，直到计数器>0才会执行。

**V操作：**用于释放操作，信号量计数器+1。唤醒一个等待的进程。

核心函数：

#include <sys/sem.h>

//创建或获取信号量集
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
参数:
    key：唯一标识信号量集的键值（通常用ftok生成）。
    nsems：集中信号量的数量。
    semflg：权限标志（如0666）和控制标志（如IPC_CREAT、IPC_EXCL）。
返回值：成功返回信号量集标识符（semid），失败返回-1。
-------------------------------------------------------------------------------------
//控制信号量集
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
参数：
    semid：信号量集标识符。
    semnum：信号量编号（信号量集中的索引）。
    cmd：控制命令（如SETVAL设置初始值、IPC_RMID删除信号量集、GETVAL获取值）。
    ...：可选参数（如union semun用于SETVAL）。
返回值：成功返回0或特定值，失败返回-1。
-------------------------------------------------------------------------------------
//执行P/V操作
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
参数：
    semid：信号量集标识符。
    sops：指向struct sembuf数组的指针，定义操作类型（P/V）和信号量编号。
    nsops：操作数量（通常为1）。
返回值：成功返回0，失败返回-1。
-------------------------------------------------------------------------------------
定义P/V操作的结构体，是 System V 信号量操作的核心结构体，定义在 <sys/sem.h> 头文件中。
struct sembuf {
    unsigned short sem_num; // 信号量编号
    short sem_op;          // 操作值（P:-1，V:+1）
    short sem_flg;         // 操作标志（如SEM_UNDO）
};


↓需要自己定义↓
用于semctl的SETVAL等命令：
union semun {
    int val;                // 信号量初始值（SETVAL）
    struct semid_ds *buf;   // 信号量集属性（IPC_STAT/IPC_SET）
    unsigned short *array;  // 信号量值数组（GETALL/SETALL）
};

想要深入了解System V更多的信息，可以去查阅相关资料或问问ai。

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5.内核中的IPC结构

bro参考的Linux内核版本是linux-5.0-rc3

struct ipc_ids {
	int in_use;
	unsigned short seq;
	struct rw_semaphore rwsem;
	struct idr ipcs_idr;
	int max_idx;
#ifdef CONFIG_CHECKPOINT_RESTORE
	int next_id;
#endif
	struct rhashtable key_ht;
};
......
/* used by in-kernel data structures */
struct kern_ipc_perm {
	spinlock_t	lock;
	bool		deleted;
	int		id;
	key_t		key;
	kuid_t		uid;
	kgid_t		gid;
	kuid_t		cuid;
	kgid_t		cgid;
	umode_t		mode;
	unsigned long	seq;
	void		*security;

	struct rhash_head khtnode;

	struct rcu_head rcu;
	refcount_t refcount;
} ____cacheline_aligned_in_smp __randomize_layout;
......
/* one msq_queue structure for each present queue on the system */
struct msg_queue {
	struct kern_ipc_perm q_perm;
	time64_t q_stime;		/* last msgsnd time */
	time64_t q_rtime;		/* last msgrcv time */
	time64_t q_ctime;		/* last change time */
	unsigned long q_cbytes;		/* current number of bytes on queue */
	unsigned long q_qnum;		/* number of messages in queue */
	unsigned long q_qbytes;		/* max number of bytes on queue */
	struct pid *q_lspid;		/* pid of last msgsnd */
	struct pid *q_lrpid;		/* last receive pid */

	struct list_head q_messages;
	struct list_head q_receivers;
	struct list_head q_senders;
} __randomize_layout;
......
/* One queue for each sleeping process in the system. */
struct sem_queue {
	struct list_head	list;	 /* queue of pending operations */
	struct task_struct	*sleeper; /* this process */
	struct sem_undo		*undo;	 /* undo structure */
	struct pid		*pid;	 /* process id of requesting process */
	int			status;	 /* completion status of operation */
	struct sembuf		*sops;	 /* array of pending operations */
	struct sembuf		*blocking; /* the operation that blocked */
	int			nsops;	 /* number of operations */
	bool			alter;	 /* does *sops alter the array? */
	bool                    dupsop;	 /* sops on more than one sem_num */
};
......
struct shmid_kernel /* private to the kernel */
{
	struct kern_ipc_perm	shm_perm;
	struct file		*shm_file;
	unsigned long		shm_nattch;
	unsigned long		shm_segsz;
	time64_t		shm_atim;
	time64_t		shm_dtim;
	time64_t		shm_ctim;
	struct pid		*shm_cprid;
	struct pid		*shm_lprid;
	struct user_struct	*mlock_user;

	/* The task created the shm object.  NULL if the task is dead. */
	struct task_struct	*shm_creator;
	struct list_head	shm_clist;	/* list by creator */
} __randomize_layout;

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《进击的巨人》