linux下的進程通訊

作者：王姍姍，華清遠見嵌入式學院講師。

　　Linux下的進程通訊手段基本上是從Unix平台上的進程通訊手段繼承而來的。而對Unix發展做出重大貢獻的兩大主力AT&T的貝爾實驗室及BSD（加州大學伯克利分校的伯克利軟體發布中心）在處理序間通訊方面的側重點有所不同。前者對Unix早期的處理序間通訊手段進行了系統的改進和擴充，形成了“system
V IPC”，通訊進程局限在單個電腦內；後者則跳過了該限制，形成了基於套介面（socket）的處理序間通訊機制。Linux則把兩者繼承了下來，示：

　　其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、訊號；System V IPC包括：SySTem V訊息佇列、System
V號誌、System V共用記憶體區；POSIx IPC包括：
Posix訊息佇列、Posix號誌、Posix共用記憶體區。有兩點需要簡單說明一下：

　　1）由於Unix版本的多樣性，電子電氣工程協會（IEEE）開發了一個獨立的Unix標準，這個新的ANSI Unix標準被稱為電腦環境的可移植性作業系統介面（PSOIX）。現有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX標準的，而Linux從一開始就遵循POSIX標準；

　　2）BSD並不是沒有涉足單機內的處理序間通訊（socket本身就可以用於單機內的處理序間通訊）。事實上，很多Unix版本的單機IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支援的匿名記憶體映射、4.3+BSD對可靠訊號語義的實現等等。

　　linux下處理序間通訊的幾種主要手段簡介：

　　1.管道

　　管道是處理序間通訊中最古老的方式，它包括無名管道和有名管道兩種，前者可用於具有親緣關係進程間的通訊，即可用於父進程和子進程間的通訊，後者額克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有前者所具有的功能外，它還允許無親緣關係進程間的通訊，即可用於運行於同一台機器上的任意兩個進程間的通訊。

　　無名管道由pipe（）函數建立：

　　#include <unistd.h>

　　int pipe(int filedis[2])；

　　參數filedis返回兩個檔案描述符：filedes[0]為讀而開啟，filedes[1]為寫而開啟。filedes[1]的輸出是filedes[0]的輸入。

　　在Linux系統下，有名管道可由兩種方式建立：命令列方式mknod系統調用和函數mkfifo。下面的兩種途徑都在目前的目錄下產生了一個名為myfifo的有名管道：

　　方式一：mkfifo("myfifo","rw");

　　方式二：mknod myfifo p

　　產生了有名管道後，就可以使用一般的檔案I/O函數如open、close、read、write等來對它進行操作。

　　2.訊息佇列

　　訊息佇列是訊息的連結資料表，包括Posix訊息佇列system V訊息佇列。訊息佇列用於運行於同一台機器上的處理序間通訊，它和管道很相似，有足夠許可權的進程可以向隊列中添加訊息，被賦予讀許可權的進程則可以讀走隊列中的訊息。訊息佇列克服了訊號承載資訊量少，管道只能承載無格式位元組流以及緩衝區大小受限等缺點。 我們可以用流管道或者套介面的方式來取代它。

　　3.共用記憶體

　　共用記憶體是運行在同一台機器上的處理序間通訊最快的方式，因為資料不需要在不同的進程間複製。通常由一個進程建立一塊共用記憶體區，其餘進程對這塊記憶體區進行讀寫。共用記憶體往往與其它通訊機制，如訊號量結合使用，來達到進程間的同步及互斥。

　　首先要用的函數是shmget，它獲得一個共用儲存標識符。

　　#include <sys/types.h>

　　#include <sys/ipc.h>

　　#include <sys/shm.h>

　　int shmget(key_t key, int size, int flag);

　　這個函數有點類似大家熟悉的malloc函數，系統按照請求分配size大小的記憶體用作共用記憶體。Linux系統核心中每個IPC結構都有的一個非負整數的標識符，這樣對一個訊息佇列發送訊息時只要引用標識符就可以了。這個標識符是核心由IPC結構的關鍵字得到的，這個關鍵字，就是上面第一個函數的key。資料類型key_t是在標頭檔sys/types.h中定義的，它是一個長整形的資料。在我們後面的章節中，還會碰到這個關鍵字。

　　當共用記憶體建立後，其餘進程可以調用shmat（）將其串連到自身的地址空間中。

　　void *shmat(int shmid, void *addr, int flag);

　　shmid為shmget函數返回的共用儲存標識符，addr和flag參數決定了以什麼方式來確定串連的地址，函數的傳回值即是該進程資料區段所串連的實際地址，進程可以對此進程進行讀寫操作。

　　使用共用儲存來實現處理序間通訊的注意點是對資料存取的同步，必須確保當一個進程去讀取資料時，它所想要的資料已經寫好了。通常，訊號量被要來實現對共用儲存資料存取的同步，另外，可以通過使用shmctl函數設定共用儲存記憶體的某些標誌位如SHM_LOCK、SHM_UNLOCK等來實現。

　　4。訊號量

　　訊號量又稱為號誌，它是用來協調不同進程間的資料對象的，而最主要的應用是前一節的共用記憶體方式的處理序間通訊。本質上，訊號量是一個計數器，它用來記錄對某個資源（如共用記憶體）的存取狀況。一般說來，為了獲得共用資源，進程需要執行下列操作：

　　（1）
測試控制該資源的訊號量。

　　（2） 若此訊號量的值為正，則允許進行使用該資源。進程將進號量減1。

　　（3） 若此訊號量為0，則該資源目前不可用，進程進入睡眠狀態，直至訊號量值大於0，進程被喚醒，轉入步驟（1）。

　　（4） 當進程不再使用一個訊號量控制的資源時，訊號量值加1。如果此時有進程正在睡眠等待此訊號量，則喚醒此進程。

　　維護訊號量狀態的是Linux核心作業系統而不是使用者進程。我們可以從標頭檔/usr/src/linux/include　/linux　/sem.h中看到核心用來維護訊號量狀態的各個結構的定義。訊號量是一個資料集合，使用者可以單獨使用這一集合的每個元素。要調用的第一個函數是semget，用以獲得一個訊號量ID。

　　#include <sys/types.h>

　　#include <sys/ipc.h>

　　#include <sys/sem.h>

　　int semget(key_t key, int nsems, int flag);

　　key是前面講過的IPC結構的關鍵字，它將來決定是建立新的訊號量集合，還是引用一個現有的訊號量集合。nsems是該集合中的訊號量數。如果是建立新集合（一般在伺服器中），則必須指定nsems；如果是引用一個現有的訊號量集合（一般在客戶機中）則將nsems指定為0。

　　semctl函數用來對訊號量進行操作。

　　int semctl(int semid, int semnum, int cmd, uniON semun arg);

　　不同的操作是通過cmd參數來實現的，在標頭檔sem.h中定義了7種不同的操作，實際編程時可以參照使用。

　　semop函數自動執行訊號量集合上的運算元組。

　　int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

　　semoparray是一個指標，它指向一個訊號量運算元組。nops規定該數組中操作的數量。

　　下面，我們看一個具體的例子，它建立一個特定的IPC結構的關鍵字和一個訊號量，建立此訊號量的索引，修改索引指向的訊號量的值，最後我們清除訊號量。

　　5.套介面

　　套介面（socket）編程是實現Linux系統和其他大多數作業系統中處理序間通訊的主要方式之一。我們熟知的WWW服務、FTP服務、TELNET服務等都是基於套介面編程來實現的。除了在異地的電腦進程間以外，套介面同樣適用於本地同一台電腦內部的處理序間通訊。

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