进程间通信

目录

进程间通信的介绍

匿名管道

命名管道

共享内存

信号量

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进程间通信的介绍

进程之间可能会存在特定的协同工作的场景！如下图

概念：一个进程要把自己的数据交付给另一个进程，让其进行处理

因为进程具有独立性！所以如果要进行进程间通信，就得交互数据，成本一定很高，同时，操作

系统也要设计通信方式！

由于进程具有独立性，所以一个进程是看不到另一个进程的资源的，而两个进程要互相通信，那就

必须得先看到一份公共的资源！这个资源就是一段内存(属于操作系统)——可能以文件的方式提

供，也可能以队列的方式，也可能提供的就是原始的内存块，这也是通信方式有很多种的原因！

进程间通信的前提本质：有os参与，提供一份所有通信进程能看到的公共资源

匿名管道

如下图，父子进程能够看到一份公共的资源文件，父进程执行后，将数据写入缓冲区，但

是不刷新到磁盘，交给子进程去做，这种经由文件的方式，叫做管道

如下图，pipe是用来创建管道的系统调用接口，其中pipefd[2]是输出型参数，我们想通过这个参

数读取到两个打开的fd

如下图，让父子进程进行通信，子进程写，父进程读，那子进程就关闭0，父进程就关闭1

注意：子进程有sleep，父进程没有sleep

如果read的返回值为0，意味着子进程关闭文件描述符了！

如下图，子进程没有sleep，父进程有sleep，子进程不会去等父进程读了才去写，而是会以字节为

单位一个个地写

如下图，让子进程每一次写一个字节，父进程一直休眠，当读满64KB时，子进程也就不再写了，

因为管道有大小！至于为什么不写了，是因为要让父进程来读，否则继续写，就会把之前写的覆盖

掉，前面的工作就白做了！！！

如下图，让父进程每隔一秒读一次

如下图，让子进程每隔5秒写一次，父进程没有sleep，可得知此时以写为主

如下图，子进程5秒后写一次，然后将1关闭，然后退出，父进程也会随之退出

  

如下图，子进程一直写，而父进程等5秒后再读，然后break跳出来关掉0，父进程结束，而此时子

进程还在写入，站在操作系统层面，是严重不合理的，因为已经没有人读了，你还在写，本质上

就是在浪费os的资源，os会直接终止子进程！os给目标进程发送SIGPIPE信号!

  

如下图，获取子进程退出的情况

 

总结

pipe本质：是通过子进程继承父进程资源的特性，达到让不同的进程看到同一份资源！

4种情况

读端不读或者读得慢，写端要等读端

读端关闭，写端收到SIGPIPE信号，进程终止

写端不写或者写得慢，读端要等写端

写端关闭，读端读完pipe内部的数据然后再读，会读到0，表明读到文件结尾！

5个特点

管道是一个只能单向通信的通信信道

管道是面向字节流的！——tcp、FILE、fstream

仅限于父子通信——具有血缘关系的进程进行进程间通信

管道自带同步机制，原子性写入

管道的生命周期是随进程的！

注意：管道是文件，如果一个文件只被当前进程打开，相关进程退出了，被打开的文件，会被os

自动关闭！(引用计数ref为0)

命名管道

如下图，命名管道是用mkfifo指令创建的文件，以p开头，echo写入，cat来读取，即一个进程将

数据交给另一个进程，这就是管道文件

我们通常标识一个磁盘文件，是用路径/文件名的方式，具有唯一性！！！

概念

如下图，A、B进程用路径/文件名的方式将同一份文件从磁盘中打开并加载到内存中，然后A进程

写入数据到文件，B进程从文件中读取数据，这就是命名管道！

具体实现

首先创建两个文件server.c和client.c，让其都成为可执行程序，然后成为两个进程，client.c用来

写入，server.c用来读取，Makefile文件和需要用到的头文件，如下图

如下图，首先在server.c文件中用mkfifo创建一个管道文件，同时还需要设置一下掩码，否则我

们自己输入的参数066，与创建的管道文件的权限不是对应的

如下图，在client.c中，我们从键盘读取数据，然后再拿到数据进行写入，再在server.c中，我们

读取数据！

注意：必须server先执行，client后执行，否则无法运行，因为管道文件是server中创建的!

因为命名管道也是基于字节流的，所以实际上，信息传递的时候，是需要通信双方定制协议的！

(这里不考虑)

如下图，在server.c中创建一个子进程，以达到一个进程控制另一个进程的目的！

如下图，让读取的进程每读一次就休息10秒钟，命名管道的数据，为了效率 ，不会刷新到磁盘！

我们之前的pipe叫作匿名管道，文件没有名字，是因为它是通过父子继承的方式，看到同一份资

源，不需要名字来标识同一个资源！

我们现在的pipe叫作命名管道，为了保证不同的进程看到同一份文件，是必须得有名字！

SystemV 

前面讲的管道都是基于文件的通信方式，而SystemV是在os层面专门为进程间通信设计的一个方

案，由计算机科学家和程序员设计，给用户使用，又因为os不信任任何用户，给用户提供功能的

时候，采用系统调用的方式

三种方案：共享内存；消息队列（有点落伍）；信号量

共享内存

如下图，用两步操作，来让不同进程看到同一份资源！

通过某种调用，在内存中创建一份内存空间

通过某种调用，让进程(参与通信的多个进程)"挂接"到这份新开辟的内存空间上！

挂接：即在进程的地址空间中，开辟一块虚拟空间，让其起始地址通过页表可以映射到新开的物理

内存空间的起始地址 

共享内存不用了，也分为两步操作

去关联（去挂接）

释放共享内存

os内可能存在多个进程，同时使用不同的共享内存来进行进程间通信，即共享内存在系统中可能

存在多份！那操作系统就必须得管理这些不同的共享内存，管理方式：先描述，再组织

共享内存一定要有一定的标识唯一性的ID，方便让不同的进程能识别同一个共享内存资源！这个ID

是存放在描述共享内存的结构体中的！

这个唯一的标识符，是用来进行进程间通信的，本质：让不同的进程能看到同一份资源——你得先

让不同的进程看到同一个ID（需要由用户自己设定）

认识接口

创建共享内存

参数key_t key 

需要通过接口ftok来获取key，这个接口有两个参数，一个是自定义路径名，另一个则是自定义项

目ID，这两个可以随便填，但是不一定成功，返回-1就失败了！

这个key也就是前面所提到的唯一性的ID！！！会设置进内核的关于shm在内核中的数据结构中！

参数size

即你想要创建的共享内存的大小，建议是4KB的整数倍！

参数shmflg

这个参数可能是单独的IPC_CREAT，也可能是IPC_CREAT | IPC_EXCL，而IPC_EXCL单独使用

没有意义！

如果单独使用IPC_CREAT，或者flg为0：创建一个共享内存，如果创建的共享内存已经存在，则

直接返回当前已经存在的共享内存，不存在则创建（基本不会空手而归）

IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果不存在共享内存，则创建，如果已经有了共享内存，则返回出

错！（意义：如果我调用成功，得到的一定是一个最新的，没有被别人使用过的共享内存）

只要我们形成key的算法+原始数据是有意义的，形成同一个ID，就能保证不同的进程看到的是同

一个共享内存！

如下图，打印key值和shmid的返回值

如下图，./server执行完毕了，进程运行结束，但是该进程曾经创建的共享内存没有被释放！

如下图，用ipcs -m查看共享内存，ipcs不带选项会默认显示消息队列，共享内存，信号量

systemV的IPC资源，生命周期是随内核的！只能通过程序员显示的释放（命令或系统调用、或os

重启）

用命令释放IPC资源

如下图，用命令ipcrm -m来释放共享内存，同时，可得知，

key：只是用来在系统层面进行标识唯一性的，不能用来管理

shmid：是os给用户返回的id，用来在用户层进行shm管理

控制共享内存（只讲删除）

参数shmid是创建共享内存接口shmget的返回值，cmd由于只讲删除，所以传IPC_RMID，后面

的结构体指针传NULL即可

如下图，用shmctl来释放共享内存

如下图，在创建共享内存的最后一个参数中再按位或上一个数字，比如0666，来为共享内存创建

权限！

如下图，shmat，让进程"挂接"到新开辟的内存空间上，参数shmid是shmget的返回值shmaddr

是确定挂接到地址空间的某个范围，我们无法确定，就由操作系统去做，所以shmaddr和shmflg

使用时就设为NULL和0即可！返回值是创建的共享内存的起始地址，不过这个地址和malloc的返

回值一样，都是虚拟地址！！！

shmdt：去关联，参数是shmat的返回值，注意，并不是释放共享内存，而是取消当前进程和共享

内存的关系！

如下图，是对"挂接"的一个实验验证，nattch是"挂接"共享内存的进程个数

如下图，当client没有写入，甚至没有启动的时候，server端会直接读取shm，但是没有数据，根

本不会等待client写入

共享内存不提供任何同步或互斥机制，需要程序员自行保证数据的安全！

共享内存一旦建立好并映射进自己进程的地址空间，该进程就可以直接看到该共享内存，就如同

malloc的空间一样，不需要任何系统调用接口(比如read或write)！所以共享内存是所有的进程间

通信中速度最快的！

read或write的本质，将数据从内核拷贝到用户，或者从用户拷贝到内核

SIZE

如下图，因为共享内存在内核中申请的基本单位是页，内存页（4KB），所以建议共享内存申请

4096的整数倍，而如果你要申请4097个字节，操作系统就给你4097个字节，但是实际上操作系统

在底层申请的时候，是申请的4096*2个字节

信号量

管道（匿名or命名），共享内存，消息队列，都是以传输数据为目的的！信号量不是以传输数据为

目的的！通过共享"资源"方式，来达到多个进程的同步和互斥的目的！

临界资源：凡是被多个执行流同时能够访问的资源就是临界资源！比如：同时向显示器打印！进程

间通信的时候，管道，共享内存，消息队列等，都是临界资源

凡是要进行进程间通信，必定要引入被多个进程看到的资源（通信需要），同时，也引入一个新的

问题，临界资源的问题！

信号量的本质，是一个计数器，类似int count，衡量临界资源中的资源数目

以电影院的某个放映厅为例，要看电影，你就得买票，而买票的本质就是对临界资源的预定机制，

而一个放映厅最怕的就是只有100个座位，却卖出了110张票(卖不出去的情况不考虑)，所以就需要

信号量来控制，卖出一张票count--，访问电影院座位的人离开count++

临界区：进程的代码可是有很多的，其中，用来访问临界资源的代码，就叫做临界区

原子性：一件事情要么不做，要么就做完，没有中间态，就叫做原子性！比如父子进程，都能看到

一个变量count，值为100，父子进程对其进行--操作，父进程先开始--，值为99，再到子进程运行

完后，值为5，父进程再去操作时，又从99开始--，多进程对全局数据操作出现错乱问题，也证明

count--本身不是原子的

每个人想进入电影院，必须先对count--，前提时每个人都得先看到count！count本身也是临界资

源！！！信号量本身就是资源！就要求信号量的--和信号量的++操作是安全的，所以必须是原子

的，也被称为p操作和v操作

互斥：任意一个时刻，只能允许一个执行流访问临界资源，执行它自己的临界区，比如有一间VIP

自习室，只能一个人自习，即int sem = 1，当有人在的时候，其他人就无法进入，当他离开，

sem--，当没有人在，有人进入，sem++，sem只有0和1两种值，也被称为二元信号量！

注意：信号与信号量，根本毫无关系！！！