Linux高级编程 - 进程间通信（Interprocess Communication）

ALP Chapter 5 进程间通信（Interprocess Communication）

• 这一章就是著名的IPC，这个东西实际的作用和它的名字一样普及。例如我们浏览网页，打印文章，等等。
• IPC总共有五种类型：
  • 共享内存(Shared Memory)：最容易理解的一种，就像一个特工把情报放在特定地点(内存)，另一个特工再过来取走一样。
  • 内存映射(Mapped Memory)：和共享内存几乎相同，除了特工们把地点从内存改成了文件系统。
  • 管道(Pipes)：从一个进程到另一个进程的有序通信，用电话来比喻再恰当不过了。
  • FIFOs：和管道和类似，唯一的区别是FIFOs比管道更神通一些，允许没有关系的进程之间的有序通信。
  • 套接字(Sockets)：为什么说浏览网页也是IPC？就是因为它。

5.1 共享内存（Shared Memory）

• 共享内存是最快捷的进程间通信方式。访问共享内存的效率和访问进程自己的非共享内存的效率是相同的，而且这种通信方式不需要任何额外的系统调用。
• 系统不会自动为共享内存处理同步问题，这个问题必须由用户自己解决。
• 共享内存的步骤通常是：
  • 一个进程申请一块共享内存，即在它的页表中加入新的一项
  • 所有进程Attach该共享内存，即从申请内存的进程中拷贝对应的页表
  • 使用该内存进行通讯
  • 结束后所有进程detach该共享内存
  • 申请共享内存的进程在确定所有进程都detach后，释放该内存
• 由于共享内存是通过页表来实现的，我们可以得出一个结论：共享内存的大小是页面大小的整数倍，页面的大小可以通过getpagesize()来得到，通常在Linux下该值是4KB
• 相关的API函数：
  • 申请共享内存：shmget，返回共享内存segment的id
  • Attach，Detach函数：shmat，shmdt。需要共享内存segment的id
  • 释放申请的内存：shmctl。一定要记得释放！调用exit和exec会自动detach，但不会自动释放。
• 使用 ipcs -m来观看当前系统存在的共享内存

5.2 进程信号量

• 信号量(Semaphore)的概念前面已经介绍过了。Linux对用来同步进程的信号量采取了一种特别的实现方式。这些信号量也就被称为进程信号量(Process Semaphore)。（这一节下面所提到的所有信号量默认都是指进程信号量）
• 相关的API函数：
  • 申请：semget
  • 释放：semctl。需要注意的是信号量不会被自动释放，我们必须显式释放它。
  • Wait和Post：semop
• 使用ipcs -s来观看当前系统存在的信号量

5.3 内存映射

• 内存映射使得不同的进程可以通过一个共享文件来互相通信。
• 相关的API函数：
  • 映射：mmap
  • 同步：msync。用来指定对文件的修改是否被buffer。
  • 释放：munmap。在程序结束的时候会自动unmap
• mmap的其他用法：
  • 可以替代read和write，有时使用内存映射后的效率比单纯使用I/O操作来的更快
  • 在内存映射文件中构建structure，修改structure再次将文件映射到内存中可以快速的将structure恢复到原来的状态
  • 把/dev/zero文件映射到内存中。该文件可以提供无限的0，并且写到该文件的所有内容将被直接丢弃

5.4 管道（Pipes）

• 管道是单向的，即一个线程写，另一个线程读，无法互换
• 如果写的速度太快，造成管道满了，那么写的线程就会被block；如果读的速度太快，造成管道空了，那么读的进程就会被block。因此事实上我们可以说管道自动实现了同步机制
• 我们可以通过调用pipe函数来生成一对pipe file description。（为什么是一对？因为一个读一个写）。可是，生成的pipe file description无法传送给不相关的进程（因为做为file descriptor即使它拿到了也没法用）。但是我们注意到fork之后父进程所有的file descriptor在子进程中依然有效，因此管道最大的作用是在父子进程之间通信。或者更确切的说，是在有共同祖先的进程之间通信。
• 典型的创建管道的流程如下：
  • 用pipe生成2个pipe file description（简称fds）。然后调用fork
  • 在父进程关闭fds[0](或fds[1])，并以只读（或只写）方式打开fds[1](或fds[0])。在子进程中关闭fds[1](或fds[0])，并以只写(或只读)方式打开fds[0](或fds[1])。打开的函数是fdopen。
  • 开始通信。结束后用close函数关闭剩下的fds。
• 这里有一个技巧：可以利用管道来达成重定向stdin, stdout和stderr。注意到dup2这个API可以把一个file descriptor复制到另一个上。
• 事实上，我们有一对更为简洁的函数popen/pclose来完成上面的一系列复杂的操作。popen有两个参数：
  • 第一个参数接受一个exec，子进程将执行这个exec
  • 第二个参数为”w”或者”r”，”w”表示父进程写子进程读，”r”则反之
  • 返回值为管道的一端，也就是一个file descriptor
  • pclose用来关闭popen返回的file descriptor
• FIFO（First In First Out）文件事实上是一个有名字的管道，换句话说，他可以用来让“不相干”的程序互相通信。
  • 我们使用mkfifo函数来创建一个FIFO文件
  • 我们可以使用任何的低级I/O函数(open, write, read, close等)以及C库I/O函数(fopen, fprintf, fscanf, fclose等)来操作FIFO文件。
• Linux的管道和Windows下的命名管道(Named Pipes)的区别
  • Windows的命名管道更像一个套接字(sockets)，它可以通过网络让不同主机上的程序进行通信
  • Linux的管道允许有多个reader和writer，每个reader和writer进行读/写的最大容量为 PIPE_BUF(4KB)，如果有多个writer同时写，他们写的东西会被分为一个一个的chunk（每个4KB）并允许交错写。（例如进程A有两个 chunk，A1，A2。进程B也有两个chunk，B1，B2。A和B同时写，则顺序可能为A1,B1,A2,B2） Windows的管道允许在同一个管道上有多个reader/writer对，他们之间读写的数据没有交叉。

5.5 套接字(Sockets)

• 套接字的特点：
  • 它是双向通信的
  • 它是进程间通信的，包括其他机器上的进程
• 套接字有三个参数：
  • 通讯类型(communication style)
    • 连接(connection)类型：保证所有的包按发送的顺序到达接受方。（类似于电话）如果包丢失或者抵达顺序错误，会自动重发。
    • datagram类型：所有包单独发送，可能会出现丢失或者晚发早到的现象。（类似于邮寄）
  • 命名空间(namespace)：描述套接字的地址是如何表示的，例如本地就是文件名，internet上就是ip地址。
  • 协议(protocol)：通讯协议，常用的有TCI/IP，AppleTalk等。
• 相关的API（套接字也是通过file descriptor来表示的）：
  • socket：创建一个socket
  • closes：销毁一个socket
  • connect：在两个socket之间创建一个连接。这个API通常由客户端调用。
  • bind：给服务器的一个套接字绑定一个地址，服务器端调用。
  • listen：让一个套接字开始侦听，准备接受请求，服务器端调用。
  • accept：接受一个连接请求，并且为该连接创建一个新的套接字，服务器端调用。
• 服务器端的生命流程：
  • 创建一个connection类型的socket
  • 给该socket绑定一个地址
  • 调用listen来enable该socket（listen可以指定最多有多少个请求在等待队列中，如果等待队列满了，又有新的请求到达的时候，则该请求被拒绝）
  • 对于收到的连接请求调用accept来接受
  • 关闭socket
• 本地socket（local socket）
  • 如果是同一台电脑上的两个进程需要通信的话，可以使用本地socket。这种情况下socket的地址是文件路径。注意进程必须对该路径拥有可写权限，否则无法建立连接
  • 完成之后使用unlink来关闭一个socket