文章目錄

• 一：什么是進(jìn)程通信
• 二：如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信及其分類
• 三：通信方式1-共享存儲(chǔ)（共享內(nèi)存）
• • （1）課本基礎(chǔ)內(nèi)容
  • （2）補(bǔ)充-Linux中的進(jìn)程通信
• 四：通信方式2-管道
• • （1）管道是什么
  • （2）匿名管道
  • • A：讀端和寫端
    • B：建立匿名管道的函數(shù)
    • C：最簡(jiǎn)單的進(jìn)程間通信-演示
    • D：管道四大特性
    • E：管道的特點(diǎn)
    • F：從內(nèi)核角度理解管道
    • G：管道總結(jié)
  • （3）命名管道
  • • A：命名管道和匿名管道的區(qū)別
    • B：如何創(chuàng)建命名管道
    • C：演示-管道實(shí)現(xiàn)服務(wù)端和客戶端的通信
• 五：通信方式3-消息隊(duì)列

一：什么是進(jìn)程通信

“微信想要獲取手機(jī)存儲(chǔ)權(quán)限”這就是一個(gè)典型的進(jìn)程通信的例子，進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的最基本單位，每個(gè)進(jìn)程擁有各自獨(dú)立的地址空間，在正常情況下，它們是互不干擾的，體現(xiàn)了進(jìn)程的獨(dú)立性

那么獨(dú)立性體現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的互不干擾，而通信體現(xiàn)的卻是數(shù)據(jù)的交互，這兩點(diǎn)看起來豈不是“矛盾”的嗎？但是實(shí)則不然，我們所說的獨(dú)立并不是完全獨(dú)立，進(jìn)程與進(jìn)程之間也會(huì)產(chǎn)生協(xié)作關(guān)系，這種協(xié)作是需要通過通信來完成的

進(jìn)程間實(shí)現(xiàn)通信的目的無外乎以下幾種

• 數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另外一個(gè)進(jìn)程
• 資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享資源
• 通知事件：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)或另一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知發(fā)生了什么事件
• 進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望控制另一些進(jìn)程，比如說調(diào)試功能

二：如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信及其分類

先不要管這樣那樣的分類方式，想要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，其核心思想就是：用盡一切辦法讓他們看見同一份內(nèi)存空間

至于這個(gè)內(nèi)存空間是由誰提供的，或者是以什么方式提供的就決定了進(jìn)程間通信的方式。如果操作系統(tǒng)以文件的方式提供的，就叫做管道;如果操作系統(tǒng)避開文件層，直接從內(nèi)核構(gòu)建通信，就是System V IPC

1：管道

• 匿名管道pipe
• 命名管道

2：System V IPC

• System V消息隊(duì)列
• System V共享內(nèi)存
• System V信號(hào)量

3：POSIX IPC

• 消息隊(duì)列
• 共享內(nèi)存
• 信號(hào)量
• 互斥量
• 條件變量

三：通信方式1-共享存儲(chǔ)（共享內(nèi)存）

（1）課本基礎(chǔ)內(nèi)容

前面在進(jìn)程地址空間的時(shí)候，我們知道了每個(gè)進(jìn)程看到的都是虛擬內(nèi)存，頁表則負(fù)責(zé)將虛擬內(nèi)存映射到真實(shí)的物理內(nèi)存處

既然頁表是負(fù)責(zé)映射的，那么是否可以在物理內(nèi)存上開辟一片空間，然后通過頁表讓他們都映射到一片內(nèi)存空間，這樣就符合“看到同一片內(nèi)存空間”的規(guī)則呢？

答案是可以的。這樣的話，兩個(gè)進(jìn)程在進(jìn)行讀寫時(shí)實(shí)際操縱的是同一片內(nèi)存，進(jìn)程1的讀寫操作就可以讓進(jìn)程2看到了

課本中所說的基于存儲(chǔ)區(qū)的共享，其中區(qū)域就在堆區(qū)和棧區(qū)的中間，這里可以處理通信，也可以存放我們常常聽到過的動(dòng)態(tài)庫等內(nèi)容

（2）補(bǔ)充-Linux中的進(jìn)程通信

不管是管道，還是共享內(nèi)存，進(jìn)程間通信的本質(zhì)就是讓他們看見相同的內(nèi)存資源。大家需要明白的一點(diǎn)是，進(jìn)程間通信不是嘴上說說那么簡(jiǎn)單，想要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程看見同一份內(nèi)存資源，以及看見資源后如何寫入，讀取，同時(shí)對(duì)于這份內(nèi)存如何把不同進(jìn)程關(guān)聯(lián)上去，如何保證關(guān)聯(lián)的穩(wěn)定等等 ，這都是需要去管理的，況且操作系統(tǒng)會(huì)存在大量的進(jìn)程通信，所以對(duì)于操作系統(tǒng)，想要管理好進(jìn)程間通信，一定是先組織，再描述，也就是底層會(huì)存在大量與此相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

正如描述進(jìn)程時(shí)的task_strct,描述文件時(shí)的file struct，描述進(jìn)程間通信的結(jié)構(gòu)體則是shmid_ds

剩余內(nèi)容篇幅較長(zhǎng)，如有興趣可以移步Linux系統(tǒng)編程28：進(jìn)程間通信之共享內(nèi)存和相關(guān)通信接口（ftok,shmget,shmctl,shmat,shmdt）

四：通信方式2-管道

（1）管道是什么

管道是UNIX中一種古老的通信方式，管道本質(zhì)其實(shí)是一個(gè)文件

如上，命令行who的標(biāo)準(zhǔn)輸出原本是屏幕，但是卻輸出到了管道文件中，發(fā)生了重定向，然后wc命令再從以管道文件作為標(biāo)準(zhǔn)輸入，然后輸出到屏幕中
其中who | wc -l這種屬于匿名管道

（2）匿名管道

A：讀端和寫端

從who | wc -l可以看出，who作為一個(gè)進(jìn)程是把內(nèi)容寫入管道文件，使用的是管道的寫端，wc從管道中讀入數(shù)據(jù)，使用的是管道的讀端。
所以兩個(gè)進(jìn)程利用管道通信時(shí)，一個(gè)進(jìn)程要使用管道的寫端寫入數(shù)據(jù)，另一個(gè)進(jìn)程則要使用管道的讀端讀入數(shù)據(jù)，所以管道文件就要用兩個(gè)文件描述符進(jìn)行控制，一個(gè)控制讀端，一個(gè)控制寫端

所以下面是父進(jìn)程創(chuàng)建了管道

接著父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程

可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)父子進(jìn)程可以同時(shí)對(duì)管道進(jìn)行寫入的和讀取，但是管道只能一端寫入一端讀入，所以要進(jìn)行調(diào)整

B：建立匿名管道的函數(shù)

pipe函數(shù)用于建立匿名管道，其頭文件是unistd.h
其函數(shù)原型為int pipe(int fd[2]),其中fd是一個(gè)有兩個(gè)元素fd[0],fd[1]的數(shù)組，傳入函數(shù)pipe后在其內(nèi)部分別以讀寫的方式打開管道文件，默認(rèn)情況下，fd[0]和fd[1]會(huì)分別獲得文件描述符，其中fd[0]表示讀端，fd[1]表示寫端

模擬實(shí)現(xiàn)一下pipe函數(shù)可能就是下面這樣的

有很多同學(xué)在這里會(huì)感到疑惑，因?yàn)橛糜谶M(jìn)程間通信的管道文件就只有一個(gè)，為什么會(huì)有兩個(gè)文件描述符呢？（默認(rèn)是3和4）

其實(shí)這一點(diǎn)在之前的基礎(chǔ)IO中我沒有表示特別清楚，以讀方式的打開一個(gè)文件，會(huì)分配一個(gè)描述符（假設(shè)是3），然后再以寫方式打開剛才的你文件也會(huì)分配一個(gè)描述符（假設(shè)是4），這里的3和4操作的是一個(gè)文件，只不過一個(gè)負(fù)責(zé)讀，一個(gè)負(fù)責(zé)寫
比如下面這個(gè)例子就可以說明這個(gè)情況

C：最簡(jiǎn)單的進(jìn)程間通信-演示

這里我們可以根據(jù)上面讀端和寫端的那個(gè)流程，首先調(diào)用pipe函數(shù)，接著創(chuàng)建子進(jìn)程

現(xiàn)在的場(chǎng)景就是這樣
接著，我們讓子進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)到管道，父進(jìn)程從管道讀取數(shù)據(jù)。于是關(guān)閉子進(jìn)程的讀端也即是fd[0]，關(guān)閉父進(jìn)程的寫端也就是fd[1]

還有一點(diǎn)十分重要：文件描述符數(shù)組（pipefd）是創(chuàng)建子進(jìn)程之前就有的，而且調(diào)用pipe函數(shù)之后，數(shù)組內(nèi)容就沒有改變過，所以不發(fā)生寫時(shí)拷貝，所以數(shù)組是父子進(jìn)程共有的。但是files struct是父子進(jìn)程各自擁有的,對(duì)子進(jìn)程來說close(fd[0])，就相當(dāng)于抹殺了子進(jìn)程對(duì)該文件的讀權(quán)限

為了觀察方便，對(duì)父子進(jìn)程都是用死循環(huán)。子進(jìn)程每隔一秒讀入一段信息this is the data that the child process wrote用來證明子進(jìn)程寫入了數(shù)據(jù)；對(duì)于父進(jìn)程則取讀取數(shù)據(jù)，一旦讀完數(shù)據(jù)，就輸出the father process got the information，用來證明父進(jìn)程讀取到了數(shù)據(jù)

#include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <string.h>int main() {int pipefd[2]={0};pipe(pipefd);pid_t id=fork();if(id==0)//child{close(pipefd[0]);const char* msg="This is the data that the child process wrote";while(1){write(pipefd[1],msg,strlen(msg));sleep(1);} }else//father{close(pipefd[1]);char buffer[64];while(1){ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);if(ret>0)//判斷是否讀到{buffer[ret]='\0';//加上結(jié)束標(biāo)志，便于輸出printf("The father process got the information:%s\n",buffer);}}}return 0; }

效果如下，這樣就完成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的進(jìn)程間通信

D：管道四大特性

特性一：如果寫端（這里是子進(jìn)程）不關(guān)閉文件描述符，且不寫入（簡(jiǎn)稱為讀端條件不就緒），那么讀端可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間阻塞（當(dāng)管道有歷史數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)先讀完，管道為空，且寫端不寫入會(huì)長(zhǎng)時(shí)間堵塞），也就是讀端快，寫端慢

比如，將上面例子中，子進(jìn)程的睡眠由1秒提升至5秒，就會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然父進(jìn)程在死循環(huán)且沒有睡眠的情況下，也會(huì)和子進(jìn)程同步

特性二：當(dāng)寫端在寫入時(shí)，寫端條件不就緒（比如管道已經(jīng)滿了），寫端就要被阻塞，也就是寫端快，讀端慢

比如，修改上面的例子如下，在子進(jìn)程中使用cout查看子進(jìn)程寫入管道的次數(shù)，然后父進(jìn)程每隔1s讀取一次

#include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <string.h>int main() {int pipefd[2]={0};pipe(pipefd);pid_t id=fork();if(id==0)//child{close(pipefd[0]);const char* msg="This is the data that the child process wrote";int cout=0;//統(tǒng)計(jì)次數(shù)while(1){write(pipefd[1],msg,strlen(msg));printf("The number of times the child process writes:%d\n",cout++);}}else//father{close(pipefd[1]);char buffer[64];while(1){ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);if(ret>0){buffer[ret]='\0';printf("The father process got the information:%s\n",buffer);sleep(1);}}}return 0; }

效果如下，寫端瞬間將管道充滿，然后讀端慢慢的從管道中讀數(shù)據(jù)

特性三：如果寫端關(guān)閉文件描述符，那么讀端當(dāng)讀完管道內(nèi)容后，或讀到文件結(jié)尾（此時(shí)read的返回值是0）

如下，當(dāng)子進(jìn)程讀入上次后，關(guān)閉子進(jìn)程的寫端，跳出循環(huán)退出子進(jìn)程，父進(jìn)程仍舊每秒從管道中讀取數(shù)據(jù)一次，并且輸出read接口的返回值

#include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h>int main() {int pipefd[2]={0};pipe(pipefd);pid_t id=fork();if(id==0)//child{close(pipefd[0]);const char* msg="This is the data that the child process wrote";int cout=0;while(1){write(pipefd[1],msg,strlen(msg));printf("The number of times the child process writes:%d\n",cout++);if(cout==10){close(pipefd[1]);//讀10次后關(guān)閉寫端break;}}exit(2);}else//father{close(pipefd[1]);char buffer[64];while(1){ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);if(ret>0){buffer[ret]='\0';printf("The father process got the information:%s\n",buffer);sleep(1);}printf("the father process read the end of file which the return value of 'read' is %ld\n",ret);//read接口的返回值}}return 0; }

刷屏太快，將其重定向到文件中。

對(duì)比特性一，特性一中是寫端不關(guān)閉文件描述符還寫的特別慢，因此讀端也被牽制住，造成讀端堵塞。而當(dāng)寫端文件描述符關(guān)閉之后，這個(gè)管道文件唯一的輸入來源就切斷了，因此如果不給其結(jié)束標(biāo)記，那么就會(huì)造成讀端永久阻塞

特性四：如果讀端關(guān)閉文件描述符，那么寫端有可能被操作系統(tǒng)結(jié)束掉

如下，讓子進(jìn)程不斷寫入數(shù)據(jù)，讓父進(jìn)程讀取5次數(shù)據(jù)后，就關(guān)閉讀端，使用如下腳本觀察進(jìn)程

while :; do ps axj | grep test.exe | grep -v grep; echo "#######################";sleep 1;done #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h>int main() {int pipefd[2]={0};pipe(pipefd);pid_t id=fork();if(id==0)//child{close(pipefd[0]);const char* msg="This is the data that the child process wrote";int cout=0;while(1){write(pipefd[1],msg,strlen(msg));printf("The number of times the child process writes:%d\n",cout++);} }else//father{close(pipefd[1]);char buffer[64];int cout=0;while(1){ssize_t ret=read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer)-1);if(ret>0){buffer[ret]='\0';printf("The father process got the information:%s\n",buffer);sleep(1);cout++;}if(cout==5){close(pipefd[0]);//讀5次后就關(guān)閉讀端}}}return 0; }

可以很明顯當(dāng)父進(jìn)程讀5次后，子進(jìn)程退出，變?yōu)榱私┦瑺顟B(tài)

當(dāng)讀端關(guān)閉之后，就沒有進(jìn)程讀取數(shù)據(jù)了，那么寫入的操作就變成了一種無用操作，所以操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了這種浪費(fèi)資源的行為后，就發(fā)送了13號(hào)信號(hào)，結(jié)束了子進(jìn)程

根據(jù)前面的進(jìn)程等待的知識(shí)，我們也可以獲取退出信號(hào)，正是SIGPIPE

E：管道的特點(diǎn)

只能用于具有共同祖先的進(jìn)程（具有親緣關(guān)系的進(jìn)程）之間進(jìn)行通信。通常，一個(gè)管道由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，然后該進(jìn)程調(diào)用fork，此后父子進(jìn)程之間就可使用該管道

管道提供流式服務(wù)。所謂流式服務(wù)就是讀端在讀取時(shí)可以任意讀取，想讀多少就讀多少，就像水龍頭一樣，你想開多大完全取決于你

一般而言，進(jìn)程退出，管道釋放，所以管道的生命周期跟隨進(jìn)程

由特性1，2可知，管道之間具有同步和互斥的機(jī)制

管道是半雙工的，數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng)

F：從內(nèi)核角度理解管道

Linux下一切皆文件

如下便是進(jìn)程打開的文件的file結(jié)構(gòu)體，其中有一個(gè)結(jié)構(gòu)體path

跳轉(zhuǎn)過去，其中的dentry表示該file所在的目錄結(jié)構(gòu)體

跳轉(zhuǎn)過去，當(dāng)找到其所在的目錄后，其結(jié)構(gòu)體內(nèi)就存儲(chǔ)了目錄的inode

根據(jù)目錄的inode可以找到目錄的數(shù)據(jù)塊，而之前說過目錄中存儲(chǔ)的就是文件名和inodei·映射關(guān)系，于是就可找到該文件file的inode，如下

而inode中有一個(gè)union，它是迎來標(biāo)識(shí)文件類型的，可以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)便是管道文件

G：管道總結(jié)

至此我們便可以從更深的層次中理解管道的本質(zhì)。sleep 1000 | sleep 2000，分別是兩個(gè)進(jìn)程，它們的父進(jìn)程均是bash，所以bash創(chuàng)建了管道，然后關(guān)閉了它對(duì)管道的通信，這兩個(gè)sleep命令則利用管道進(jìn)行通信

who | wc -l，bash創(chuàng)建了管道，who和wc利用管道通信，who發(fā)生輸出了重定向，將輸出重定向的管道文件中，wc發(fā)生了輸入重定向，將輸入來源從鍵盤更改為管道文件，Linux一切皆文件，這就管道的本質(zhì)

（3）命名管道

A：命名管道和匿名管道的區(qū)別

前面說過，匿名管道的限制就是只能在具有共同祖先（具有親緣關(guān)系）的進(jìn)程間通信，而不適合與毫無相干的兩個(gè)進(jìn)程

如果我們想在兩個(gè)不相干的進(jìn)程之間進(jìn)行通信，可以使用FIFO文件完成，也被稱為命名管道，命名管道實(shí)際是一種類型為“p”的文件

B：如何創(chuàng)建命名管道

匿名管道由pipe函數(shù)創(chuàng)建并打開，命名管道則有mkfifo函數(shù)創(chuàng)建
命名管道可以從命令行上創(chuàng)建

mkfifo filename

也可以從程序中創(chuàng)建，其函數(shù)原型為

int mkfifo(const char* filename,modet_t mode); //filename是創(chuàng)建管道文件的路徑+文件名 //mode是權(quán)限值

C：演示-管道實(shí)現(xiàn)服務(wù)端和客戶端的通信

如下我將虛擬機(jī)中的centos系統(tǒng)作為服務(wù)端，在其上創(chuàng)建一個(gè)文件叫做server.c，服務(wù)端用來讀取數(shù)據(jù)。
在Windows中，以Windows作為客戶端，客戶端用來寫入數(shù)據(jù)，利用xshell遠(yuǎn)程登錄主機(jī)，然后創(chuàng)建一個(gè)文件client.c。這就像xshell是QQ窗口，我像Linux主機(jī)，也就是騰訊服務(wù)器發(fā)送消息，然后服務(wù)端回傳回來。雖然不是特別準(zhǔn)確，但是足以說明命名管道在·的作用

Makefile如下

.PHONY:all all:client.exe server.exe client.exe:client.cgcc -o $@ $^ server.exe:server.cgcc -o $@ $^.PHONY:clean clean:rm client.exe server.exe fifo

首先編寫服務(wù)端代碼，服務(wù)端中利用mkfifo創(chuàng)建管道文件，然后打開這個(gè)管道文件，不斷讀取數(shù)據(jù)

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>int main() {umask(0);//屏蔽命令行umask干擾if(mkfifo("./fifo",0666)==-1)//如果mkfifo返回值是-1，創(chuàng)建失敗{perror("打開失敗");return 1;}int fd=open("fifo",O_RDONLY);//服務(wù)端以只讀的方式打開管道文件if(fd>=0){char buffer[64];while(1){printf("客戶端正在接受消息\n");printf("############################\n");ssize_t ret=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1);if(ret>0){buffer[ret]='\0';printf("服務(wù)端接受到客戶端消息：%s\n",buffer);}else if(ret==0)//如果客戶端退出，將會(huì)讀到文件結(jié)束，所以服務(wù)端也要退出{printf("客戶端已經(jīng)下線，服務(wù)端下線\n");break;}else {perror("讀取失敗\n");break;}}} }

在客戶端則直接打開管道文件，然后寫入數(shù)據(jù)

#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>int main() {int fd=open("fifo",O_WRONLY);//直接打開管道文件if(fd>=0){ char buffer[64];//從鍵盤讀入數(shù)據(jù)到這個(gè)緩沖區(qū)while(1){ printf("客戶端-請(qǐng)輸入消息：");ssize_t ret=read(0,buffer,sizeof(buffer)-1);//從鍵盤讀入數(shù)據(jù)if(ret>0){ buffer[ret]='\0';write(fd,buffer,ret);//讀入ret個(gè)數(shù)據(jù)就向管道中寫入ret個(gè)數(shù)據(jù)}}} }

現(xiàn)在，在虛擬機(jī)中運(yùn)行服務(wù)端，然后在xshell中運(yùn)行客戶端，然后客戶端輸入數(shù)據(jù)，服務(wù)端就會(huì)接受到，客戶端下線，服務(wù)端也會(huì)下線

這里還有一個(gè)非常有趣的點(diǎn)：那個(gè)fifo文件是0個(gè)字節(jié)，自始至終它都是一個(gè)字節(jié)

這表明它們之間通信時(shí)，并沒有直接在這個(gè)文件上進(jìn)行IO操作，因?yàn)槿绻M(jìn)行IO操作其實(shí)代價(jià)就太大了。這里的fifo其實(shí)僅僅起到了一種標(biāo)志的作用，它的底層其實(shí)和匿名管道是差不多的

上面演示的是調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用接口mkfifo進(jìn)行操作，而mkfifo其實(shí)也是一個(gè)命令，也就是直接可以創(chuàng)建管道完成通信

然后在客戶端輸入一段腳本，將一段文字不斷輸入到管道中，接著在服務(wù)端不斷讀取

while :; do echo "this is client";sleep 1;done > pipe

五：通信方式3-消息隊(duì)列

在消息傳遞系統(tǒng)中，進(jìn)程的數(shù)據(jù)交換是以格式化的**信息(Message)**為單位的。最典型的例子就是計(jì)網(wǎng)中的報(bào)文，如TCP/IP報(bào)文

進(jìn)程通過系統(tǒng)提供的發(fā)送消息和接受消息兩個(gè)原語進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

直接通信方式：發(fā)送進(jìn)程直接把消息發(fā)送給接受進(jìn)程，并將它掛在接受進(jìn)程的消息緩沖隊(duì)列中，接受進(jìn)程從消息緩沖隊(duì)列中取得消息

間接通信方式：發(fā)送進(jìn)程把消息送到某個(gè)中間實(shí)體，接受進(jìn)程從中間實(shí)體取得信息，稱之為信箱，因此又叫做信箱通信方式。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节4：进程通信（配合Linux）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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