Linux下的進程通信(IPC) 1。POSIX無名信號量     如果你學習過操作系統,那么肯定熟悉PV操作了.PV操作是原子操作.也就是操作是不可以中斷的,在一定的時間內,只能夠有一個進程的代碼在CPU上面執行.在系統當中,有時候為了順利的使用和保護共享資源,大家提出了信號的概念. 假設我們要使用一臺打印機,如果在同一時刻有兩個進程在向打印機輸出,那么最終的結果會是什么呢.為了處理這種情況,POSIX標準提出了有名信號量和無名信號量的概念,由于Linux只實現了無名信號量,我們在這里就只是介紹無名信號量了. 信號量的使用主要是用來保護共享資源,使的資源在一個時刻只有一個進程所擁有.為此我們可以使用一個信號燈.當信號燈的值為某個值的時候,就表明此時資源不可以使用.否則就表>示可以使用. 為了提供效率,系統提供了下面幾個函數 POSIX的無名信號量的函數有以下幾個: #includeint sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);int sem_destroy(sem_t *sem);int sem_wait(sem_t *sem);int sem_trywait(sem_t *sem);int sem_post(sem_t *sem);int sem_getvalue(sem_t *sem);sem_init創建一個信號燈,并初始化其值為value.pshared決定了信號量能否在幾個進程間共享.由于目前Linux還沒有實現進程間共享信號燈,所以這個值只能夠取0. sem_destroy是用來刪除信號燈的.sem_wait調用將阻塞進程,直到信號燈的值大于0.這個函數返回的時候自動的將信號燈的值的件一.sem_post和sem_wait相反,是將信號燈的內容加一同時發出信號喚醒等待的進程..sem_trywait和sem_wait相同,不過不阻塞的,當信號燈的值為0的時候返回EAGAIN,表示以后重試.sem_getvalue得到信號燈的值. 由于Linux不支持,我們沒有辦法用源程序解釋了. 這幾個函數的使用相當簡單的.比如我們有一個程序要向一個系統打印機打印兩頁.我們首先創建一個信號燈,并使其初始值為1,表示我們有一個資源可用.然后一個進程調用sem_wait由于這個時候信號燈的值為1,所以這個函數返回,打印機開始打印了,同時信號燈的值為0 了. 如果第二個進程要打印,調用sem_wait時候,由于信號燈的值為0,資源不可用,于是被阻塞了.當第一個進程打印完成以后,調用sem_post信號燈的值為1了,這個時候系統通知第二個進程,于是第二個進程的sem_wait返回.第二個進程開始打印了. 不過我們可以使用線程來解決這個問題的.我們會在后面解釋什么是線程的.編譯包含上面這幾個函數的程序要加上 -lrt選賢,以連接librt.so庫 2。System V信號量 為了解決上面哪個問題,我們也可以使用System V信號量.很幸運的是Linux實現了System V信號量.這樣我們就可以用實例來解釋了. System V信號量的函數主要有下面幾個. #include #include #include key_t ftok(char *pathname,char proj);int semget(key_t key,int nsems,int semflg);int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);int semop(int semid,struct sembuf *spos,int nspos);struct sembuf {short sem_num; /* 使用那一個信號 */short sem_op; /* 進行什么操作 */short sem_flg; /* 操作的標志 */};ftok函數是根據pathname和proj來創建一個關鍵字.semget創建一個信號量.成功時返回信號的ID,key是一個關鍵字,可以是用ftok創建的也可以是IPC_PRIVATE表明由系統選用一個關鍵字. nsems表明我們創建的信號個數.semflg是創建的權限標志,和我們創建一個文件的標志相同. semctl對信號量進行一系列的控制.semid是要操作的信號標志,semnum是信號的個數,cmd是操作的命令.經常用的兩個值是:SETVAL(設置信號量的值)和IPC_RMID(刪除信號燈).arg是一個給cmd的參數. semop是對信號進行操作的函數.semid是信號標志,spos是一個操作數組表明要進行什么操作,nspos表明數組的個數. 如果sem_op大于0,那么操作將sem_op加入到信號量的值中,并喚醒等待信號增加的進程. 如果為0,當信號量的值是0的時候,函數返回,否則阻塞直到信號量的值為0. 如果小于0,函數判斷信號量的值加上這個負值.如果結果為0喚醒等待信號量為0的進程,如果小與0函數阻塞.如果大于0,那么從信號量里面減去這個值并返回. 下面我們一以一個實例來說明這幾個函數的使用方法.這個程序用標準錯誤輸出來代替我們用的打印機. #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define PERMS S_IRUSR|S_IWUSRvoid init_semaphore_struct(struct sembuf *sem,int semnum,int semop,int semflg){/* 初始話信號燈結構 */sem->sem_num=semnum;sem->sem_op=semop;sem->sem_flg=semflg;}int del_semaphore(int semid){/* 信號燈并不隨程序的結束而被刪除,如果我們沒刪除的話(將1改為0)可以用ipcs命令查看到信號燈,用ipcrm可以刪除信號燈的*/#if 1return semctl(semid,0,IPC_RMID);#endif}int main(int argc,char **argv){ char buffer[MAX_CANON],*c; int i,n; int semid,semop_ret,status; pid_t childpid; struct sembuf semwait,semsignal; if((argc!=2)||((n=atoi(argv[1]))<1))  {fprintf(stderr,"Usage:%s number\n\a",argv[0]);exit(1);  } /* 使用IPC_PRIVATE 表示由系統選擇一個關鍵字來創建  *//* 創建以后信號燈的初始值為0 */ if((semid=semget(IPC_PRIVATE,1,PERMS))==-1)   {fprintf(stderr,"[%d]:Acess Semaphore Error:%s\n\a",getpid(),strerror(errno));exit(1);   }/* semwait是要求資源的操作(-1) */init_semaphore_struct(&semwait,0,-1,0);/* semsignal是釋放資源的操作(+1) */init_semaphore_struct(&semsignal,0,1,0);/* 開始的時候有一個系統資源(一個標準錯誤輸出) */if(semop(semid,&semsignal,1)==-1) {fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a",getpid(),strerror(errno));if(del_semaphore(semid)==-1)        fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a",                getpid(),strerror(errno));exit(1); }/* 創建一個進程鏈 */for(i=0;i if(childpid=fork()) break;sprintf(buffer,"[i=%d]-->[Process=%d]-->[Parent=%d]-->[Child=%d]\n",i,getpid(),getppid(),childpid);c=buffer;/* 這里要求資源,進入原子操作 */while(((semop_ret=semop(semid,&semwait,1))==-1)&&(errno==EINTR));if(semop_ret==-1) {fprintf(stderr,"[%d]:Decrement Semaphore Error:%s\n\a",   getpid(),strerror(errno)); }else {while(*c!='\0')fputc(*c++,stderr);/* 原子操作完成,趕快釋放資源 */while(((semop_ret=semop(semid,&semsignal,1))==-1)&&(errno==EINTR));if(semop_ret==-1)         fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a",                        getpid(),strerror(errno)); }/* 不能夠在其他進程反問信號燈的時候,我們刪除了信號燈 */while((wait(&status)==-1)&&(errno==EINTR));/* 信號燈只能夠被刪除一次的 */if(i==1) if(del_semaphore(semid)==-1)        fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a",                        getpid(),strerror(errno));exit(0);} 信號燈的主要用途是保護臨界資源(在一個時刻只被一個進程所擁有). 3。SystemV消息隊列 為了便于進程之間通信,我們可以使用管道通信 SystemV也提供了一些函數來實現進程的通信.這就是消息隊列.   #include   #include   #include   int msgget(key_t key,int msgflg);  int msgsnd(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,int msgflg);  int msgrcv(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,long msgtype,int msgflg);  int msgctl(Int msgid,int cmd,struct msqid_ds *buf);struct msgbuf {long msgtype;   /* 消息類型 */....... /* 其他數據類型 */}msgget函數和semget一樣,返回一個消息隊列的標志.msgctl和semctl是對消息進行控制. msgsnd和msgrcv函數是用來進行消息通訊的.msgid是接受或者發送的消息隊列標志. msgp是接受或者發送的內容.msgsz是消息的大小. 結構msgbuf包含的內容是至少有一個為msgtype.其他的成分是用戶定義的.對于發送函數msgflg指出緩沖區用完時候的操作.接受函數指出無消息時候的處理.一般為0. 接收函數msgtype指出接收消息時候的操作. 如果msgtype=0,接收消息隊列的第一個消息.大于0接收隊列中消息類型等于這個值的第一個消息.小于0接收消息隊列中小于或者等于msgtype絕對值的所有消息中的最小一個消息. 我們以一個實例來解釋進程通信.下面這個程序有server和client組成.先運行服務端后運行客戶端. 服務端 server.c#include #include #include #include #include #include #include #include #include #define   MSG_FILE "server.c"#define   BUFFER 255#define   PERM S_IRUSR|S_IWUSRstruct msgtype {long mtype;char buffer[BUFFER+1];};int main(){   struct msgtype msg;   key_t key;   int msgid;      if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)    {fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\a\n",strerror(errno));exit(1);    }    if((msgid=msgget(key,PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1)    {fprintf(stderr,"Creat Message  Error:%s\a\n",strerror(errno));exit(1);    }    while(1)   {msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),1,0);fprintf(stderr,"Server Receive:%s\n",msg.buffer);msg.mtype=2;msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0);   }  exit(0);}--------------------------------------------------------------------------------客戶端(client.c)#include #include #include #include #include #include #include #include #define   MSG_FILE "server.c"#define   BUFFER 255#define   PERM S_IRUSR|S_IWUSRstruct msgtype {long mtype;char buffer[BUFFER+1];};int main(int argc,char **argv){   struct msgtype msg;   key_t key;   int msgid;      if(argc!=2)    {fprintf(stderr,"Usage:%s string\n\a",argv[0]);exit(1);    }   if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1)    {fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\a\n",strerror(errno));exit(1);    }    if((msgid=msgget(key,PERM))==-1)    {fprintf(stderr,"Creat Message  Error:%s\a\n",strerror(errno));exit(1);    }  msg.mtype=1;  strncpy(msg.buffer,argv[1],BUFFER);  msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0);   memset(&msg,'\0',sizeof(struct msgtype));  msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),2,0);  fprintf(stderr,"Client receive:%s\n",msg.buffer);  exit(0);}  注意服務端創建的消息隊列最后沒有刪除,我們要使用ipcrm命令來刪除的. 4。SystemV共享內存 還有一個進程通信的方法是使用共享內存.SystemV提供了以下幾個函數以實現共享內存. #include #include #include int shmget(key_t key,int size,int shmflg);void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);int shmdt(const void *shmaddr);int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);shmget和shmctl沒有什么好解釋的.size是共享內存的大小. shmat是用來連接共享內存的.shmdt是用來斷開共享內存的.不要被共享內存詞語嚇倒,共享內存其實很容易實現和使用的.shmaddr,shmflg我們只要用0代替就可以了.在使用一個共享內存之前我們調用shmat得到共享內存的開始地址,使用結束以后我們使用shmdt斷開這個內存. #include #include #include #include #include #include #include #include #define PERM S_IRUSR|S_IWUSRint main(int argc,char **argv){  int shmid; char *p_addr,*c_addr; if(argc!=2)  {fprintf(stderr,"Usage:%s\n\a",argv[0]);exit(1);  } if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM))==-1)  {fprintf(stderr,"Create Share Memory Error:%s\n\a",strerror(errno));exit(1);  } if(fork())  {p_addr=shmat(shmid,0,0);memset(p_addr,'\0',1024);strncpy(p_addr,argv[1],1024);exit(0);  } else  {c_addr=shmat(shmid,0,0);printf("Client get %s",c_addr);exit(0);  } } 這個程序是父進程將參數寫入到共享內存,然后子進程把內容讀出來.最后我們要使用ipcrm釋放資源的.先用ipcs找出ID然后用ipcrm shm ID刪除.