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Linux：进程间通信
介绍：
目的：
- 数据传输，一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
- 资源共享，多个进程间共享同样的资源
- 通知事件，一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（们）发生了某种事件（如进程终止通知父进程）
- 进程控制，有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如
Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变
通信方式及发展：
-
管道
匿名管道
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
管道
管道是Unix比较古老的一种进程间通信的形式，我们把一个进程连接到另一个数据流成为一个“管道”
匿名管道
#include <unistd.h>
//功能：创建一匿名管道
//函数原型：
int pipe(int fd[2]);//参数：
//fd：文件描述符数组，其中fd[0]表示读端,fd[1]表示写端
//返回值：成功返回0，失败返回错误代码
例子：可以使用管道从键盘stdin读取数据，写到屏幕stdout，具体代码如下
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{int fds[2];char buf[100];int len;if (pipe(fds) == -1)perror("make pipe"), exit(1);// read from stdinwhile (fgets(buf, 100, stdin)){len = strlen(buf);// write into pipeif (write(fds[1], buf, len) != len){perror("write to pipe");break;memset(buf, 0x00, sizeof(buf));// read from pipeif ((len = read(fds[0], buf, 100)) == -1){perror("read from pipe");break;}// write to stdoutif (write(1, buf, len) != len){perror("write to stdout");break;}}}
}
另外pipe可以用于父子之间通信，fork后，子进程会继承父进程的文件描述符，父子进程分别关闭对应的读或写端就可以实现单向通信
我们在操作管道的时候，操作的是文件描述符。那么，匿名管道是文件吗？
首先匿名管道在磁盘中并没有对应的空间，只是在内核层面维护着一段缓冲区（内存上），但是它又继承了一些文件的操作，比如可以使用系统调用read、write对其进行读写操作。总之匿名管道不是实体文件，但是在行为上和真正的文件相似，这也迎合了Linux下一切皆文件的思想。
管道的读写规则
-
当没有数据可读时：
O_NONBLOCK disable（禁用非阻塞模式）：
read调用时阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来为止。O_NONBLOCK enable（使用非阻塞模式）：
read调用返回-1，error值为EAGAIN。 -
当管道满的时候：
O_NONBLOCK disable（禁用非阻塞模式）：
write调用时阻塞，直到有进程来读走数据。O_NONBLOCK enable（使用非阻塞模式）：
write调用返回-1，error值为EAGAIN。 -
如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，
read返回0。 -
如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则
write操作会产生信号SIGPIPE，进而可能导致write进程退出。 -
当要写如的数据量不大于
PIPE_BUF时，Linux将保证写入的原子性。 -
当要写如的数据量大于
PIPE_BUF时，Linux将不再保证写入的原子性。
管道特点
- 只能用于具有共同祖先的进程（或者是具有血缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父子进程之间就可应用该管道。
- 管道提供流式服务
- 管道的生命周期是随着进程的，进程退出，管道就释放了。
- 内核会对管道进行同步和互斥
- 管道通信时半双工的，数据只能向一个方向流通；需要双方通信时，需建立两个管道。
基于匿名管道的进程池
这个小项目，就是先创建一个父进程，之后fork出多个子进程，并分别创建管道。当父进程收到任务时，可以通过朝对应管道发送任务码，从而控制对应的子进程去完成任务，实现了任务分配。
任务分配时该选哪一个子进程呢？轮询，随机，还是给每一个进程tag一个任务量，不同的方法有不同的好处。
另外要注意，之前父进程开的管道的读端会继承给下一个子进程，这样第一个子进程对应管道的读端就会有多个读端，引用计数随着进程的增多不断增多。这是一个藏的比较深的bug当时如果不是蛋哥说出来我一定不知道。解决方法是在fork新的子进程时删除上一个子进程对应管道的写端。这样每一个子进程对应的管道的读端引用计数都是1。在删除的时候本该是关掉对应的写端，读端读到0然后退出之后父进程waitpid回收资源拿到退出码。如果读端的引用计数不是1，就会出现关闭父进程的写端后，子进程不会退出，一直在read那里阻塞。
具体信息可以参考源代码：25/Process_Pool · 钦某/Code - 码云 - 开源中国 (gitee.com)
命名管道
匿名管道的限制就是只能在具有共同祖先（亲缘关系）的进程间通信。如果我们想在不相关的进程间交换数据，就可以使用FIFO文件来进行，它被叫做命名管道。本质上也是文件，有文件名，所以叫做命名管道
命名管道可以在命令行上创建：
$ mkfifo filename
命名管道可以代码里创建，相关函数：
int mkfifo(const char* filename, mode_t mode); // 这个函数在手册3中，不属于系统调用int main()
{mkfifo("p2", 0644);return 0;
}
匿名管道与命名管道的区别
| 特性 | 匿名管道 | 命名管道 |
|---|---|---|
| 通信范围 | 亲缘关系进程 | 任意进程（可跨网络） |
| 通信方向 | 半双工 | 全双工 |
| 存在形式 | 内存缓冲区，无文件实体 | 文件系统路径（如FIFO文件） |
| 创建方式 | pipe() | mkfifo()或系统API |
| 生命周期 | 随进程结束销毁 | 需显式删除文件 |
| 典型应用场景 | 父子进程快速通信 | 多进程协作、服务端-客户端 |
命名管道的打开规则
如果当前打开操作是为读而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable（禁用非阻塞模式）：阻塞直到有相应进程为写而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable（使用非阻塞模式）：立刻返回成功
如果当前打开操作是为写而打开FIFO时
O_NONBLOCK disable（禁用非阻塞模式）：阻塞直到有相应进程为读而打开该FIFO
O_NONBLOCK enable（使用非阻塞模式）：立刻返回失败，错误码为ENXIO
基于命名管道的进程间通信封装
这个项目里只有一个类，这个类里面只有三个开放的成员函数：
- 打开管道文件
- 对管道文件进行操作
- 获取管道文件的文件描述符
fd
进程在初始化类时会传入一个参数，这个参数由宏定义，SERVER和CLIENT，初始化后，系统会自动调用构造函数，并把SERVER或CLIENT赋值给成员变量，方便后续进行条件编译。在构造函数里面条件调用了一个创建命名管道文件的私有函数。在server端初始化时会调用这个函数。而在client端则不会调用该函数。
在Operate函数中也使用了条件编译，如果成员变量为SERVER则调用Read函数从管道里面读取数据，如果成员变量为CLIENT则调用Write对管道进行写入。在该类中，并没有对Read和Write函数做高耦合。这也许会是后续复用代码时需要改进的方向之一。
system V 共享内存
共享内存区是最快的IPC形式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，换句话说，进程不在通过调用进入内核的系统调用来传递数据
共享内存数据结构struct
在操作系统中不仅仅只有两个进程通过共享内存存相互通信，那么操作系统就必须要将这么多的共享内存管理起来。那么又是这个老生常谈的问题，**先描述再组织。**所以内核中组织共享内存的结构体就应运而生了。
结构体里面记录了权限、大小、最后一次关联时间、最后一次改变时间、创建进程的pid、最后一个操作进程的pid等信息。
/* 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 */
};
共享内存函数
shmget函数
功能：用来创建共享内存
原型：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);参数：
key：这个共享内存段名字，由ftok函数规定获取
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：成功则返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1。
shmat函数
功能：将共享内存段连接到进程地址空间
原型：
void *shmget(int shm_id, const void *shmaddr, int shmflg);参数：
shm_id：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说明：
shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址
shmaddr不为NULL切shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址
shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址回自动向下调整为SHMLBA的整数倍公式：
shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)
shmflg = SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存
返回值：成功返回一个指针，指向共享内存的第一个节；失败返回-1
shmdt函数
功能：将共享内存段与当前进程脱离
原型：
int shmdt(const void *shmaddr);参数：
shmaddr是由shmat返回的指针返回值：成功返回0；失败返回-1
注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段
shmctl函数
功能：用于控制共享内存
原型：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shm_ds *buf);参数：
shmid：由shmget返回的共相内存标识码
cmd：将要采取的动作（三个可取值）
命令 说明 IPC_STAT 把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值 IPC_SET 在进程由足够权限的前提下，把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds数据结构中给出的值 IPC_EMID 删除共享内存段
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
基于system V共享内存的进程间通信
在这个项目中只有一个类Shm且只有一个方法就是获取共享内存的地址，也就是调用了函数shmat并返回。其他的方法都被封装到了构造函数和析构函数中。用户只需要在初始化阶段传入一个参数用于指明server或client即可。
另外，在此项目中，还使用了命名管道（被修改过的命名管道类）进行进程间通信的第二信道，client进程结束前，会通过第二信道发送一条指令，server在收到指令后会跳出循环，调用类的析构函数，结束进程。
详情可参考代码：25/Share_memery · 钦某/Code - 码云 - 开源中国 (gitee.com)
需要注意的是：共享内存不像管道那样，由同步和互斥机制，这也会导致缺乏控制，会带来并发问题，但是有缺点就有优点，它快啊！
装到了构造函数和析构函数中。用户只需要在初始化阶段传入一个参数用于指明server或client即可。