进程间通信

两种方式：1. 管道 2. 消息队列

管道

  • 就像现实中的水管，水就像数据
  • 管道是一种半双工的通信方式
  • 数据只能单向流动，而且只能在具有共同祖先的进程间使用
    （管道本质上就是一个文件，前面的进程以写方式打开文件，后面的进程以读方式打开。这样前面写完后面读，于是就实现了通信。）
    虽然实现形态上是文件，但是管道本身并不占用磁盘或者其他外部存储空间。在Linux实现上，它占用的是内存空间。所以，Linux上的管道就是一个操作方式为文件的内存缓冲区。
函数介绍
  • int pipe(int fd[2])
    • 功能：创建管道
    • 头文件：<unistd.h>
    • 参数fd关联：一个读端 fd[0]; 一个写端 fd[1]

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  • int read(int fd, void *buf, int count)

    • 功能：从参数fd指定的读端读取管道数据到大小为count的缓存buf中，返回实际读取到的字节数。
    • 参数：
      • fd：管道读端
      • buf：缓冲区，保存读到的数据
      • count：读取字节数

  • int write(int fd, void *buf, int count)

    • 功能：向参数fd指定的写端从缓存buf中取出count个字节到管道中，返回值为实际写入的字节数。
    • 参数：
      • fd：管道写端
      • buf：缓冲区，将要写入管道的数据
      • count：写入的字节数

shiyan2_1.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
    int fd[2] = {1, 1};
    pipe(fd);
    int read_fd = fd[0];
    int write_fd = fd[1];
    char readBuffer[255];
    char fileBuffer[255];

    FILE *fp;
    pid_t child1 = fork();
    if(child1 < 0) printf("Failed to create a process.\n");
    else if(child1 == 0){
        if((fp=fopen("./text.txt", "wt+")) == NULL) printf("open file error!\n");
        else{
            fprintf(fp, "This is testing for fprintf...\n");            
        }
        fclose(fp);

        char pipeStr[] = "OK";
        if(write(write_fd, pipeStr, strlen(pipeStr))) exit(0);
        else{
            printf("write error\n");
            exit(1);
        }
    }

    pid_t child2 = fork();
    if(child2 < 0) printf("Failed to create a process.\n");
    else if(child2 == 0){
        if(read(read_fd, readBuffer, sizeof(readBuffer))){
            if(strcmp(readBuffer, "OK") == 0){
                if((fp=fopen("./text.txt", "r")) == NULL) printf("open file error!\n");
                else{
                    fgets(fileBuffer, sizeof(fileBuffer), (FILE*)fp);
                    printf("%s\n", fileBuffer);
                }
                fclose(fp);
                exit(0);
            }else{
                printf("Sorry.\n");
                exit(1);
            }
        }else{
            printf("read error\n");
            exit(1);
        }
        
    }

    for(int i=0; i<=1; i++)
    {
        // 父进程等待子进程退出
        pid_t cpid = wait(NULL);
        printf("No.%d process, its PID is %d exits\n", i, cpid);
    }

    return 0;
}

消息队列
消息队列就是一个消息的链表。可以把消息看作一个记录，具有特定的格式以及特定的优先级。对消息队列有写权限的进程可以向中按照一定的规则添加新信息；对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中读走消息。消息队列是随内核持续的。

什么叫随“内核持续”呢？
即只有在内核重启或者显示删除一个消息队列时，该消息队列才会真正被删除。因此系统中记录消息队列的数据结构(struct ipc_ids msg_ids) 位于内核中，系统中的所有消息队列都可以在结构msg_ids中找到访问入口。

  • 消息队列提供了一种由一个进程向另一个进程发送块数据的方法
  • 每一个数据块被看做有一个类型，接收进程可以独立接收具有不同类型的数据块

消息队列

  • 消息的链接表，简称：队列
  • 标识符：队列ID
  • 队列中消息的结构：
struct msgbuf
{
    long mytype;  // 存储消息类型
    unsigned char mytext[128]; // 存储消息内容
};

其中 mytype 成员代表消息类型，从消息队列中读取消息的一个重要依据就是消息的类型；mytext 成员是消息内容，当然长度不一定是128.
因此，对于发送消息来说，首先预置一个msgbuf缓冲区并写入消息类型和内容，调用相应的发送函数即可；对读取消息来说，首先分配一个msgbuf缓冲区，然后把消息读入该缓冲区即可。

函数介绍——第一种介绍方式

  1. 文件名到键值
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(char *pathname, char proj);

它返回与路径pathname相对应的一个键值。该函数不直接对消息队列操作，但在调用ipc（MSGGET，...）或megget()来获得消息队列描述字前，往往要调用该函数。典型的调用代码是：

key = ftok(path_ptr, 'a');
ipc_id = ipc(MSGGET, (int)key, flags, 0, NULL, 0);
...
  1. Linux为操作系统V进程间通信的三种方式（消息队列，信号灯，共享内存区）提供了一个统一的用户界面：
int ipc(unsigned int call, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);
  • 第一个参数：指明对IPC对象的操作方式，对消息队列而言共有四种操作：
    • MSGSND, 向消息队列发送消息
    • MSGRCV,从消息队列读取消息
    • MSGGET, 打开或创建消息队列
    • MSGCTL，控制消息队列
  • first参数：代表唯一的IPC对象

下面介绍这四种操作：

  • int ipc(MSGGET, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);
    ==> 对应系统V调用：int msgget((key_t) first, second);
  • int ipc( MSGCTL, intfirst, intsecond, intthird, voidptr, longfifth)
    与该操作对应的系统V调用为：int msgctl( first，second, (struct msqid_ds    ) ptr)。
  • int ipc( MSGSND, intfirst, intsecond, intthird, voidptr, longfifth);
    与该操作对应的系统V调用为：int msgsnd( first, (struct msgbuf    )ptr, second, third)。
  • int ipc( MSGRCV, intfirst, intsecond, intthird, voidptr, longfifth);
    与该操作对应的系统V调用为：int msgrcv( first，(struct msgbuf    )ptr, second, fifth,third)
  1. 系统V消息队列API
    需要包含下列头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

1）int msgget(key_t key, int msgflg)
参数key是一个键值，由ftok获得；msgflg是一些标志位。该调用返回与键值key相对应的消息队列描述子。
在以下两种情况，该调用将创建一个新的消息队列：

  • 如果没有消息队列与键值key相对应，并且msgflg中包含了IPC——CREAT标志位；
  • key参数为IPC——PRIVATE。

参数msgflg可以为：IPC_CREAT, IPC_EXCL, IPC_NOWAIT
调用返回：成功返回消息队列描述字，否则-1.
PS：参数key设置为常数 IPC_PRIVATE 并不意味着其他进程不能访问该消息队列，只意味着即将创建新的消息队列。

2）*int msgrcv(int msqid, struct msgbuf msgp, int msgsz, long msgtyp, int msgflg)
该系统调用从msgid代表的消息队列中读取一个消息，并把消息存储在msgp指向的msgbuf结构中。
msqid为消息队列描述字；消息返回后存储在msgp指向的地址，msgsz制定msgbuf的mtext成员的长度（即消息内容的长度），msgtyp为请求读取的消息类型；读西欧系标识msgflg可以为以下几个常值的或：

  • IPC_NOWAIT 如果没有满足条件的消息，调用立即返回，此时，errno = ENOMSG
  • IPC_EXECPT 与msgtyp > 0配合使用，返回队列中第一个类型不为msgtyp的消息
  • IPC_NOERROR 如果队列中满足条件的消息内容大于所请求的msgsz字节，则把该消息截断，截断部分将丢失。

msgrcv()解除阻塞的条件：

  • 消息队列中有了满足条件的信息；
  • msqid代表的消息队列被删除；
  • 调用msgrcv()的进程被信号中断。

调用返回：成功返回读出消息的实际字节数，否则返回-1.

3）*int msgsnd(int msqid, struct msgbuf msgp, int msgsz, int msgflg)
向msgid代表的消息队列发送一个消息，即将发送的消息存储在msgp执行的msgbuf结构中，消息的大小由msgsz决定。
对发送消息来说，有意义的msgflg标识为IPC_NOWAIT，指明在消息队列没有足够空间容纳要发送的消息时，msgsnd是否等待。造成msgsnd()等待的条件有两种：

  • 当前消息的大小与当前消息队列中的字节数之和超过了消息队列的总容量；
  • 当前消息队列的消息数（“个”）不小于消息队列的总容量（“字节数”），此时，虽然消息队列中的消息数目很多，但基本上都只有一个字节。

msgsnd()解除阻塞的条件：

  • 不满足上述两个条件，即消息队列中有容纳该消息的空间；
  • msqid代表的消息队列被删除；
  • 调用msgsnd()的进程被信号中断。

调用返回：成功0，失败-1.

4）*int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds buf)
该系统调用对由msqid标识的消息队列执行cmd操作，共有三种cmd操作：IPC_STAT、IPC_SET 、IPC_RMID。

  • IPC_STAT：该命令用来获取消息队列信息，返回的信息存贮在buf指向的msqid结构中；
  • IPC_SET：该命令用来设置消息队列的属性，要设置的属性存储在buf指向的msqid结构中；可设置属性包括：msg_perm.uid、msg_perm.gid、msg_perm.mode以及msg_qbytes，同时，也影响msg_ctime成员。
  • IPC_RMID：删除msqid标识的消息队列；

调用返回：成功返回0，否则返回-1。

函数介绍——第二种介绍方式（实验）

  • int msgget(key_t key, int flag)

    • 头文件：<sys/msg.h>
    • 功能：打开一个队列或创建一个新队列
    • 返回值：一个队列id
    • 参数：
      • key：标识符，也称为键。可理解为唯一的端口
        • 获取key的方法：
          • 函数 ftok(const char* path, int id);
          • ftok 的功能由一个路径名和项目id产生一个键
          • 如：key = ftok(".", 't');
      • flag：控制标记，指定以何种方式创建
        • 如：0660 | IPC_CREAT

  • int msgsnd(int msqid, const void* ptr, size_t nbytes, int flag)

    • 头文件：<sys/msg.h>
    • 功能：往消息队列中写消息，即发送消息
    • 参数：
      • msqid：队列id
      • ptr：要发送消息的结构指针，指向消息的地址
      • nbytes：发送的字节数
      • flag：控制标记，一般指定为IPC_NOWAIT

  • int msgrcv(int msqid, const void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag);

    • 头文件：<sys/msg.h>
    • 功能：从消息队列读消息，即接收消息
    • 参数：
      • msqid：队列id
      • ptr：接收的消息保存到该指针指向的消息结构
      • nbytes：接收的字节数
      • type：
        • == 0 返回队列第一个消息
        • > 0 返回队列中类型为type的第一个消息
        • < 0 返回小鱼或等于type绝对值的消息
      • flag：控制标记，一般指定为IPC_NOWAIT
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