Linux进程间的通信机制

概述

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信。

进程间的通信.png

管道通信

管道是一种最基本的通信机制。
在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，它有一个读端一个写端，进程1往管道中写数据，进程2读管道中的数据，这样就实现了进程间的通信。对用户程序来说，管道就像一个文件。
创建管道的函数：

#include<unistd.h>
int pipe(int filedes[2]);

调用pipe函数时在内核中开辟一块缓冲区（称为管道）用于通信，它有一个读端一个写端，然后通过filedes参数传出给用户程序两个文件描述符，filedes[0]指向管道的读端，filedes[1]指向管道的写端（很好记，就像0是标准输入1是标准输出一样）。所以管道在用户程序看起来就像一个打开的文件，通过read(filedes[0]);或者write(filedes[1]);向这个文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。pipe函数调用成功返回0，调用失败返回-1。

管道通信的过程：

  • 父进程创建管道;
  • 父进程fork出子进程;
  • 父进程关闭fileds[0]，子进程关闭fileds[1];

管道是用队列实现的，由于是队列，故在两个进程间通信只能由一端到另一端，如果要双向通信则需创建两个管道。由于是通过文件描述符来指向管道的，那么只能在父子进程间通信。

写个简单的例子

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main(void)
{
    int fd[2];
    int n;
    pid_t pid;
    char line[80];
    pipe(fd);
    pid = fork();
    if(pid > 0){
        close(fd[0]);
        write(fd[1], "hello world\n", 12);
        waitpid(pid,NULL,0); 
    }else if(pid == 0){
        close(fd[1]);
        n = read(fd[0], line, 80);
        printf("msg:%s", line);
    }
    return 0;
}
运行截图.png

其他通信机制-FIFO

用命令行来测试：

先创建一个FIFO文件

mkfifo test

然后读取FIFO的内容，此时因为FIFO为空，所以会挂起

cat < ./test

打开另一个终端往test中写入信息

echo "just a test" > ./test

这时你会发现第一个终端会输出"just a test"并且退出。

用程序测试:

(1)和命令行一样采取阻塞式，代码如下
写FIFO

//write.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<errno.h>
#define FIFO_FILE "./myfifo"

int main()
{
    int fd = 0;
    int n;
    int re;
    char buf[15] = "hello world\n";
    unlink( FIFO_FILE );
    re = mkfifo( FIFO_FILE, 0777 );
    fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);
    if(fd >= 0){
        n = write(fd, buf, 15);
        close(fd);
        printf("%d writed\n", n);
    }else{
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

读FIFO

//read.c
#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<sys/types.h> 
#include<sys/stat.h> 
#include<fcntl.h> 
#include<errno.h>
#define FIFO_FILE "./myfifo"

int main()
{
    char buf[80];
    int n = 0;
    int fd;
    fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);
    if(fd < 0){
        perror("open error");
        exit(-1);
    }
    n = read(fd, buf, 80);
    close(fd);
    printf("n = %d\n", n);
    printf("msg:%s\n", buf);
    return 0;
}

运行

./write &
./read &

编译运行截图

编译运行阻塞式FIFO

(2)非阻塞式
代码稍微修改一下
写FIFO
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<errno.h>
#define FIFO_FILE "/home/lkxiaolou/c/fifo/myfifo"

int main()
{
    int fd = 0;
    int n;
    int re;
    char buf[15] = "hello world\n";
    fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY|O_NONBLOCK);
    if(fd >= 0){
        n = write(fd, buf, 15);
        close(fd);
        printf("%d writed\n", n);
    }else{
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

读FIFO

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<unistd.h> 
#include<sys/types.h> 
#include<sys/stat.h> 
#include<fcntl.h> 
#include<errno.h>
#define FIFO_FILE "/home/lkxiaolou/c/fifo/myfifo"

int main()
{
    char buf[80];
    int n = 0;
    int fd;
    int re;
    unlink( FIFO_FILE );
    re = mkfifo( FIFO_FILE, 0777 );
    fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if(fd < 0){
        perror("open error");
        exit(-1);
    }
    while(n == 0){
        n = read(fd, buf, 80);
        sleep(1);
    }
    close(fd);
    printf("n = %d\n", n);
    printf("msg:%s\n", buf);
    return 0;
}

编译运行结果

编译运行非阻塞式FIFO

其他通信机制-UNIX Domain Socket

socket API原本是为网络通讯设计的，但后来在socket的框架上发展出一种IPC机制，就是UNIX Domain Socket。UNIX Domain Socket是全双工的，API接口语义丰富，相比其它IPC机制有明显的优越性，目前已成为使用最广泛的IPC机制

由于是全双工，则可以互相通信，不存在读写端，这里称为服务端和客户端。

服务端工作流程：

  • socket 建立一个socket
  • bind 将这个socket绑定在文件(端口)上
  • listen 开始监听
  • accept 如果客户端连接，则接受并建立一个新的socket来和客户端通信
  • read/write 读取或者发送消息
  • close 关闭连接

客户端工作流程：

  • socket 建立一个socket
  • connect 主动连接服务端的文件(端口)
  • read/write 接收或者发送消息
  • close 关闭连接

找了一个例子，稍微修改了一下：

server代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>
#include <stddef.h>
#include <string.h>

// the max connection number of the server
#define MAX_CONNECTION_NUMBER 5

/* * Create a server endpoint of a connection. * Returns fd if all OK, <0 on error. */
int unix_socket_listen(const char *servername)
{ 
    int fd;
    struct sockaddr_un un; 
    if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0){
        return(-1); 
    }
    int len, rval; 
    unlink(servername);               /* in case it already exists */ 
    memset(&un, 0, sizeof(un)); 
    un.sun_family = AF_UNIX; 
    strcpy(un.sun_path, servername); 
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(servername); 
    /* bind the name to the descriptor */ 
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0){ 
        rval = -2; 
    } else{
        if (listen(fd, MAX_CONNECTION_NUMBER) < 0){ 
            rval =  -3; 
        }else{
            return fd;
        }
    }
    int err;
    err = errno;
    close(fd); 
    errno = err;
    return rval;  
}

int unix_socket_accept(int listenfd, uid_t *uidptr)
{ 
    int clifd, len, rval; 
    time_t staletime; 
    struct sockaddr_un un;
    struct stat statbuf; 
    len = sizeof(un); 
    if ((clifd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&un, &len)) < 0){
        return(-1);     
    }
    /* obtain the client's uid from its calling address */ 
    len -= offsetof(struct sockaddr_un, sun_path);  /* len of pathname */
    un.sun_path[len] = 0; /* null terminate */ 
    if (stat(un.sun_path, &statbuf) < 0){
        rval = -2;
    }else{
        if (S_ISSOCK(statbuf.st_mode) ){ 
            if (uidptr != NULL) *uidptr = statbuf.st_uid;    /* return uid of caller */ 
            unlink(un.sun_path);       /* we're done with pathname now */ 
            return clifd;      
        }else{
            rval = -3;     /* not a socket */ 
        }
    }
    int err;
    err = errno; 
    close(clifd); 
    errno = err;
    return(rval);
 }
 
void unix_socket_close(int fd)
{
    close(fd); 
}

int main(void)
{ 
    int listenfd,connfd; 
    listenfd = unix_socket_listen("foo.sock");
    if(listenfd<0){
        printf("Error[%d] when listening...\n",errno);
        return 0;
    }
    printf("Finished listening...\n",errno);
    uid_t uid;
    connfd = unix_socket_accept(listenfd, &uid);
    unix_socket_close(listenfd);  
    if(connfd<0){
        printf("Error[%d] when accepting...\n",errno);
        return 0;
    }  
    printf("Begin to recv/send...\n");  
    int i,n;
    int size = 0;
    char rvbuf[2048];
    while(size == 0)
    {
        //===========接收==============
        size = recv(connfd, rvbuf, 12, 0);  
        if(size>0){
            printf("Recieved Data[%d]:%s\n",size,rvbuf);
        }
        if(size==-1){
            printf("Error[%d] when recieving Data:%s.\n",errno,strerror(errno));
        }
    }
    unix_socket_close(connfd);
    printf("Server exited.\n");    
}

client代码：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

/* Create a client endpoint and connect to a server.   Returns fd if all OK, <0 on error. */
int unix_socket_conn(const char *servername)
{ 
    int fd; 
    if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0){   /* create a UNIX domain stream socket */ 
        return(-1);
    }
    int len, rval;
    struct sockaddr_un un;          
    memset(&un, 0, sizeof(un));            /* fill socket address structure with our address */
    un.sun_family = AF_UNIX; 
    sprintf(un.sun_path, "scktmp%05d", getpid()); 
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(un.sun_path);
    unlink(un.sun_path);               /* in case it already exists */ 
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0){ 
        rval=  -2; 
    }else{
        /* fill socket address structure with server's address */
        memset(&un, 0, sizeof(un)); 
        un.sun_family = AF_UNIX; 
        strcpy(un.sun_path, servername); 
        len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(servername); 
        if (connect(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0) {
            rval= -4; 
        }else{
            return (fd);
        }
    }
    int err;
    err = errno;
    close(fd); 
    errno = err;
    return rval;    
}
 
void unix_socket_close(int fd)
{
    close(fd);     
}


int main(void)
{ 
    srand((int)time(0));
    int connfd; 
    connfd = unix_socket_conn("foo.sock");
    if(connfd<0){
        printf("Error[%d] when connecting...",errno);
        return 0;
    }
    printf("Begin to recv/send...\n");  
    int i,n,size;
    //=========发送======================
    char rvbuf[12]="hello world";
    size = send(connfd, rvbuf, 12, 0);
    if(size>=0){
        printf("Data[%d] Sended:%s\n",size,rvbuf);
    }
    if(size==-1){
        printf("Error[%d] when Sending Data:%s.\n",errno,strerror(errno)); 
    }
    unix_socket_close(connfd);
    printf("Client exited.\n");    
}

编译运行截图：

unix domain socket运行截图

好了，进程通信就写到这吧，累死我了--!

最后编辑于 ：
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