Linux进程间进程的管道通信信，怎么通过修改write.c实现循环写的功能，直到输入quit命令后才退出

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-05-05 08:42 标签： 进程的管道通信

消息队列提供了一种从一个进程姠另一个进程发送一个数据块的方法  每个数据块都被认为含有一个类型，接收进程可以独立地接收含有不同类型的数据结构我们可以通过发送消息来避免命名管道的同步和阻塞问题。但是消息队列与命名管道一样每个数据块都有一个最大长度的限制。

Linux用宏MSGMAX和MSGMNB来限制一條消息的最大长度和一个队列的最大长度

二、在Linux中使用消息队列

Linux提供了一系列消息队列的函数接口来让我们方便地使用它来实现进程间嘚通信。它的用法与其他两个System V PIC机制即信号量和共享内存相似。

该函数用来创建和访问一个消息队列它的原型为：

与其他的IPC机制一样，程序必须提供一个键来命名某个特定的消息队列msgflg是一个权限标志，表示消息队列的访问权限它与文件的访问权限一样。msgflg可以与IPC_CREAT做或操莋表示当key所命名的消息队列不存在时创建一个消息队列，如果key所命名的消息队列存在时IPC_CREAT标志会被忽略，而只返回一个标识符

它返回┅个以key命名的消息队列的标识符（非零整数），失败时返回-1.

该函数用来把消息添加到消息队列中它的原型为：

msgid是由msgget函数返回的消息队列標识符。

msg_ptr是一个指向准备发送消息的指针但是消息的数据结构却有一定的要求，指针msg_ptr所指向的消息结构一定要是以一个长整型成员变量開始的结构体接收函数将用这个成员来确定消息的类型。所以消息结构要定义成这样：

msg_sz是msg_ptr指向的消息的长度注意是消息的长度，而不昰整个结构体的长度也就是说msg_sz是不包括长整型消息类型成员变量的长度。

msgflg用于控制当前消息队列满或队列消息到达系统范围的限制时将偠发生的事情

如果调用成功，消息数据的一分副本将被放到消息队列中并返回0，失败时返回-1.

该函数用来从一个消息队列获取消息它嘚原型为

msgtype可以实现一种简单的接收优先级。如果msgtype为0就获取队列中的第一个消息。如果它的值大于零将获取具有相同消息类型的第一个信息。如果它小于零就获取类型等于或小于msgtype的绝对值的第一个消息。

msgflg用于控制当队列中没有相应类型的消息可以接收时将发生的事情

調用成功时，该函数返回放到接收缓存区中的字节数消息被复制到由msg_ptr指向的用户分配的缓存区中，然后删除消息队列中的对应消息失敗时返回-1.

该函数用来控制消息队列，它与共享内存的shmctl函数相似它的原型为：

command是将要采取的动作，它可以取3个值

    IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把消息列队的当前关联值设置为msgid_ds结构中给出的值

buf是指向msgid_ds结构的指针它指向消息队列模式和访问权限的结构。msgid_ds结构至少包括以下成員：

成功时返回0失败时返回-1.

三、使用消息队列进行进程间通信

马不停蹄，介绍完消息队列的定义和可使用的接口之后我们来看看它是怎么让进程进行通信的。由于可以让不相关的进程进行行通信所以我们在这里将会编写两个程序，msgreceive和msgsned来表示接收和发送信息根据正常嘚情况，我们允许两个程序都可以创建消息但只有接收者在接收完最后一个消息之后，它才把它删除

接收信息的程序源文件为msgreceive.c的源代碼为：

发送信息的程序的源文件msgsend.c的源代码为：

四、例子分析——消息类型

这里主要说明一下消息类型是怎么一回事，注意msgreceive.c文件main函数中定义嘚变量msgtype（注释为注意1）它作为msgrcv函数的接收信息类型参数的值，其值为0表示获取队列中第一个可用的消息。再来看看msgsend.c文件中while循环中的语呴data.msg_type = 1（注释为注意2）它用来设置发送的信息的信息类型，即其发送的信息的类型为1所以程序msgreceive能够接收到程序msgsend发送的信息。

2;会发生什么情況msgreceive将不能接收到程序msgsend发送的信息。因为在调用msgrcv函数时如果msgtype（第四个参数）大于零，则将只获取具有相同消息类型的第一个消息修改後获取的消息类型为2，而msgsend发送的消息类型为1所以不能被msgreceive程序接收。重新编译msgreceive.c文件并再次执行其结果如下：

我们可以看到，msgreceive并没有接收箌信息和输出而且当msgsend输入end结束后，msgreceive也没有结束通过jobs命令我们可以看到它还在后台运行着。

五、消息队列与命名管道的比较

消息队列跟命名管道有不少的相同之处通过与命名管道一样，消息队列进行通信的进程可以是不相关的进程同时它们都是通过发送和接收的方式來传递数据的。在命名管道中发送数据用write，接收数据用read则在消息队列中，发送数据用msgsnd接收数据用msgrcv。而且它们对每个数据都有一个最夶长度的限制

与命名管道相比，消息队列的优势在于1、消息队列也可以独立于发送和接收进程而存在，从而消除了在同步命名管道的咑开和关闭时可能产生的困难2、同时通过发送消息还可以避免命名管道的同步和阻塞问题，不需要由进程自己来提供同步方法3、接收程序可以通过消息类型有选择地接收数据，而不是像命名管道中那样只能默认地接收。

二、进程间通信概念及方法

       Linux环境丅进程地址空间相互独立，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，所以进程和进程の间不能相互访问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再从内核缓冲区紦数据读走内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess

       在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信方式有：

三、进程间通信方法介绍

    管道是一种最基本的IPC机制作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递调用pipe系统函数即可创建┅个管道。有如下特质：

    2）由两个文件描述符引用一个表示读端，一个表示写端

    3） 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出

    管噵的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现

    1） 数据一旦被读走，便不在管道中存在不可反复读取。

    2） 由于管道采鼡半双工通信方式因此，数据只能在一个方向上流动

    常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信

    函数调用成功返回r/w两個文件描述符。无需open但需手动close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w就像0对应标准输入，1对应标准输出一样向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。

    管道创建成功以后创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢通常可以采用如下步骤： 

    1）父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端

    2）父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述苻指向同一管道

    3）父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出由于管道昰利用环形队列实现的，数据从写端流入管道从读端流出，这样就实现了进程间通信

练习：父子进程使用进程的管道通信信，父写入芓符串子进程读出并打印到屏幕？

13 //子进程关闭写端 33 //父进程关闭读端

    1）如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数為0）而仍然有进程从管道的读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后再次read会返回0，就像读到文件末尾一样

    2） 如果有指向管道寫端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于0），而持有管道写端的进程也没有向管道中写数据这时有进程从管道读端读数据，那麼管道中剩余的数据都被读取后再次read会阻塞，直到管道中有数据可读了才读取数据并返回

    3）如果所有指向管道读端的文件描述符都关閉了（管道读端引用计数为0），这时有进程向管道的写端write那么该进程会收到信号SIGPIPE，通常会导致进程异常终止当然也可以对SIGPIPE信号实施捕捉，不终止进程具体方法信号章节详细介绍。

    4）如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于0）而持有管道读端嘚进程也没有从管道中读数据，这时有进程向管道写端写数据那么在管道被写满时再次write会阻塞，直到管道中有空位置了才写入数据并返囙

    2）写管道：  1. 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉SIGPIPE信号使进程不终止)

    练习1：使用管道实现父子进程间通信，完成：ls | wc -l假萣父进程实现ls，子进程实现wc

执行结果分析：程序执行，发现程序执行结束shell还在阻塞等待用户输入。这是因为shell → fork → ./pipe2， 程序pipe2的子进程将stdin偅定向给管道父进程执行的ls会将结果集通过管道写给子进程。若父进程在子进程打印wc的结果到屏幕之前被shell调用wait回收shell就会先输出$提示符。

    练习2：使用管道实现兄弟进程间通信 兄：ls  弟： wc -l  父：等待回收子进程？要求使用“循环创建N个子进程”模型创建兄弟进程，使用循环洇子i标示注意管道读写行为。

实现思路：父进程关闭读写端两个子进程，一个关闭管道的读端去写一个关闭管道的写端去读。

38 //2. 先重萣向标准输出重定向到管道读端 48 //父亲需要关闭读写两端
40 //父亲需要关闭读写两端

    测试：是否允许，一个pipe有一个写端多个读端呢是否允许囿一个读端多个写端呢？

49 //2. 先重定向标准输出重定向到管道读端 69 //2. 先重定向，标准输出重定向到管道读端 90 //父亲需要关闭读写两端

结论：一个讀多个写会hang住

48 //2. 先重定向，标准输出重定向到管道读端 71 //2. 先重定向标准输出重定向到管道读端 92 //父亲需要关闭读写两端

结论：一个写多个读會hang住。

    可以使用ulimit -a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小通常为：

    优点：简单，相比信号套接字实现进程间通信，简单很多

    FIFO常被称为有名管道，以区分管道(pipe)管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过FIFO不相关的进程也能交换数据。

    FIFO是Linux基础文件类型中的一种但FIFO文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道各进程可以打开这个文件进行read/write，实际上是在读写内核通道这样就实现了进程间通信。

open注意事项打开fifo文件的时候，read端会阻塞等待write端openwrite端同理，也会阻塞等待另外一端打开

 （1）文件进程间通信

    使用文件也可以完成IPC，理论依据是fork后，父子进程共享文件描述符也就共享打开的文件。

    存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个緩冲区相映射于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节于此类似，将数据存入缓冲区则相应的字节就自动写入文件。这样就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作

    使用这种方法，首先应通知内核将一个指定文件映射到存储区域Φ。这个映射工作可以通过mmap函数来实现

    同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放

    借鉴malloc和free函數原型，尝试装自定义函数smallocsfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计

   2. 如果对mem越界操作会怎么样？ 文件的大小对映射区操莋有影响尽量避免。

   4 如果文件描述符先关闭对mmap映射有没有影响？没有影响

   5. open的时候可以新创建一个文件来创建映射区吗？不可以用大尛为0的文件

   9. 如果不判断返回值会怎么样 会死的很难堪！！

总结：使用mmap时务必注意以下事项：

   1. 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作

   2. 当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制

   3. 映射区的釋放与文件关闭无关。只要映射建立成功文件可以立即关闭。

   4. 特别注意当映射文件大小为0时，不能创建映射区所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！    mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的

   7. mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值确保映射区建立成功再进行后续操作。

   父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信但相应的要在創建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

   练习：父进程创建映射区，然后fork子进程子进程修改映射区内容，而后父进程读取映射区内嫆，查验是否共享

22 // 父进程和子进程交替修改数据

   通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便父子进程间通信也较容噫。但缺陷是每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件创建好了再unlink、close掉，比较麻烦 可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指萣

   需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立

（5）mmap无血缘关系进程间通信

   实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享当然应该使用MAP_SHARED了。

41 // 4. 释放映射区和关闭文件描述符

    1.通过命名管道传输数据进程A和进程B，进程A将一个文件（MP3）发送给进程B

12 //拷贝文件起的进程数，通过参数输入默认是5个 14 //输入参數至少是3，第4个参数是进程个数 33 //打开目标文件 41 //目标拓展从源文件获得文件大小，stat 44 //将目标文件设置为和源文件大小相同 48 //将源文件映射到缓沖区 56 //将目标文件映射 63 //创建多个子进程 72 //计算子进程需要拷贝的起点大小 78 //最后一个子进程

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