linux 进程间通信

一、IPC 总览

1. IPC 目的

• 数据传输：一个进程把数据发给另一个进程。
• 资源共享：多个进程共享同一资源。
• 通知事件：通知另一个或一组进程发生了某事件。
• 进程控制：一个进程控制另一个进程，如 Debug 进程。

2. IPC 发展

• 管道
• System V IPC
• POSIX IPC

3. IPC 分类

• 管道
  • 匿名管道：pipe
  • 命名管道：FIFO、mkfifo
• System V IPC
  • 消息队列
  • 共享内存
  • 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

4. 本节重点

• 掌握匿名/命名管道的原理与操作。
• 编写进程池。
• 掌握共享内存。
• 了解消息队列、信号量。
• 理解内核如何管理 IPC 资源。
• 了解 C/C++ 中回调、多态在进程池中的体现。

二、管道

1. 匿名管道 pipe

函数原型：

int pipe(int fd[2]);

• fd[0]：读端
• fd[1]：写端
• 成功返回 0，失败返回错误码。

本质：

• 管道是内核中的一块缓冲区。
• 从文件描述符角度看，管道也像文件，符合“Linux 一切皆文件”。
• 读写管道使用 read、write、close。

fork 后共享管道：

• 父进程创建管道。
• fork 后子进程继承 fd[0]、fd[1]。
• 通常父进程关闭读端，子进程关闭写端，实现单向通信。
• 双向通信需要两个管道。

管道特点：

• 只能用于有亲缘关系的进程，通常是父子进程。
• 半双工，数据单向流动。
• 提供流式服务，没有消息边界。
• 生命周期随进程，进程退出管道释放。
• 内核会对管道操作进行同步与互斥。
• 写端全关，read 返回 0。
• 读端全关，write 会产生 SIGPIPE。

2. 管道读写规则

没有数据可读：

• O_NONBLOCK 关闭：read 阻塞。
• O_NONBLOCK 开启：read 返回 -1，errno = EAGAIN。

管道满：

• O_NONBLOCK 关闭：write 阻塞，直到有进程读走数据。
• O_NONBLOCK 开启：write 返回 -1，errno = EAGAIN。

关闭情况：

• 所有写端关闭：read 返回 0。
• 所有读端关闭：write 触发 SIGPIPE，可能导致进程退出。

原子性：

• 写入数据量 <= PIPE_BUF：Linux 保证写入原子性。
• 写入数据量 > PIPE_BUF：不保证原子性。

3. 命名管道 FIFO

创建方式：

mkfifo filename

程序内：

int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);

特点：

• 命名管道是文件系统中的特殊文件。
• 可用于无亲缘关系进程间通信。
• 匿名管道用 pipe 创建并打开；命名管道用 mkfifo 创建，用 open 打开。
• 创建方式不同，但打开之后语义相同。

打开规则：

• 读打开：
  • O_NONBLOCK 关闭：阻塞，直到有进程为写而打开 FIFO。
  • O_NONBLOCK 开启：立刻返回成功。
• 写打开：
  • O_NONBLOCK 关闭：阻塞，直到有进程为读而打开 FIFO。
  • O_NONBLOCK 开启：立刻返回失败，错误码 ENXIO。

典型用途：

• 文件拷贝。
• server/client 通信。

三、进程池

目标：

• 预先创建多个子进程。
• 父进程通过管道向子进程派发任务。
• 避免频繁 fork，提高效率。

核心结构：

• Channel：封装写端 fd、子进程 pid，提供 Send、Close。
• ProcessPool：负责创建管道、fork 子进程、保存 channel、派发任务、清理。
• TaskManager：任务函数表，随机选择任务编号。
• Worker：子进程循环从标准输入读任务编号并执行。
• Main：初始化进程池、派发任务、清理进程池。

关键流程：

要点：

• 子进程只保留读端，父进程只保留写端。
• 管道用于任务派发。
• 回调函数 std::function 体现多态思想。
• 清理时关闭写端是让子进程退出的关键。

四、System V 共享内存

共享内存是最快的 IPC 形式：

• 共享内存映射到进程地址空间后，进程间数据传递不再经过内核。
• 进程像访问普通内存一样读写共享内存。

1. 相关函数

shmget

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

作用：

• 创建或获取共享内存。

参数：

• key：共享内存名字，通常用 ftok 生成。
• size：共享内存大小。
• shmflg：
  • IPC_CREAT：不存在则创建，存在则获取。
  • IPC_CREAT | IPC_EXCL：不存在则创建，存在则报错。
  • 权限标志如 0666。

返回值：

• 成功返回共享内存标识符 shmid。
• 失败返回 -1。

shmat

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

作用：

• 将共享内存段连接到当前进程地址空间。

参数：

• shmid：共享内存标识。
• shmaddr：
  • NULL：内核自动选择地址。
  • 非 NULL：按规则连接。
• shmflg：
  • SHM_RND
  • SHM_RDONLY

返回值：

• 成功返回指向共享内存首地址的指针。
• 失败返回 -1。

shmdt

int shmdt(const void *shmaddr);

作用：

• 将共享内存段与当前进程脱离。

注意：

• shmdt 不等于删除共享内存。
• 只是当前进程不再映射它。

shmctl

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

常用命令：

• IPC_STAT：获取共享内存状态。
• IPC_SET：设置共享内存状态。
• IPC_RMID：删除共享内存段。

2. 使用流程

ftok 生成 key
↓
shmget 创建/获取共享内存
↓
shmat 挂接到进程地址空间
↓
读写共享内存
↓
shmdt 去关联
↓
shmctl(IPC_RMID) 删除

3. 重要注意点

• 共享内存没有同步与互斥。
• 共享内存缺乏访问控制，会带来并发问题。
• 需要配合管道、信号量等实现访问顺序。
• IPC 资源生命周期随内核，必须显式删除，否则不会自动清除，除非重启。
• 查看共享内存：

ipcs -m

删除：

ipcrm -m shmid

4. 示例思路

• server 创建共享内存，并创建 FIFO。
• client 获取共享内存，写入数据。
• 通过 FIFO 进行访问控制，让 server 按顺序读取。
• server 最后 shmdt，再 shmctl(IPC_RMID) 删除共享内存。

五、System V 消息队列（了解）

• 消息队列提供从一个进程向另一个进程发送数据块的方法。
• 每个数据块都有类型。
• 接收者可以按类型接收数据。
• IPC 资源必须删除，否则不会自动清除。
• System V IPC 资源生命周期随内核。

六、System V 信号量（了解）

信号量主要用于同步和互斥。

基本概念：

• 共享资源：多个执行流能看到的同一份公共资源。
• 临界资源：被保护起来的共享资源。
• 临界区：访问临界资源的代码。
• 互斥：任何时刻只允许一个执行流访问资源。
• 同步：多个执行流访问临界资源时具有顺序性。

信号量理解：

• 本质是一个计数器。
• 作用：保护临界区。
• 本质：对资源的预订机制。
• P 操作：申请资源，计数器 –。
• V 操作：释放资源，计数器 ++。

七、内核如何组织管理 IPC 资源

参考 Linux 2.6.18 内核源码。

关键结构：

• struct ipc_ids
  • in_use
  • max_id
  • seq
  • mutex
  • ipc_id_ary
• struct ipc_id_ary
  • size
  • struct kern_ipc_perm *p[0]
• struct kern_ipc_perm
  • lock
  • deleted
  • key
  • uid
  • gid
  • cuid
  • cgid
  • mode
  • seq
  • security

具体资源结构：

• 消息队列：struct msg_queue
• 信号量：struct sem_array
• 共享内存：struct shmid_kernel

理解：

• 内核用统一的 kern_ipc_perm 管理 IPC 资源的权限和公共属性。
• 具体资源结构内嵌 kern_ipc_perm，类似面向对象中的“继承”或“多态”。