操作系统--进程间通信(一)

IPC 运用范畴

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配图与本文无关，纯属有趣

相对于做点什么，我们更想睡懒觉，但是相对于睡觉，我想写总结！
今天把博客的 git 分支搞混了，浪费了一点时间。那么今天介绍一下进程间通信(IPC) 。进程间通信，我们从 << UNIX网络编程卷2：进程间通信 >> 最后一章 Sun RPC 谈起，那为什么呢？因为我们去掌握一个东西，肯定是因为它有价值，我们才去学习，如果一些技术现在都不用了，淘汰了，那我们就没有必要去深究，只需学习其思想，浅尝辄止即可。

最后一张概述部分是这样介绍的，构筑一个应用程序时，我们首先在以下两者之间作出选择：

(1) 构筑一个庞大的单一程序，完成全部工作；
(2) 把整个应用程序散步到彼此通信的多个进程中。
如果我们选择后者，接下去的抉择是：

(2a) 假设所有进程运行在同一台主机上 (允许 IPC 用于这些进程间的通信)；
(2b) 假设某些进程会运行在其他主机上 (要求使用进程间某种形式的网络通信)。

这本著作主要关注的是 2a 这种情况，也就是 使用消息传递、共享内存、并可能使用某种形式的同步来进行同一台主机上的进程间 IPC。同一进程内不同线程间的 IPC 以及不同进程内各个线程间的 IPC只是这种情形的特殊情况。

而对于不同部分之间需要网络通信的应用程序则大多数使用 显示网络编程（explicit network programming)方式编写，也就是我们现在流行的 Socket编程。

那么现在是什么情况呢？由于互联网大火，导致现在主流热门的进程间通信方式变成了使用 Socket 套接字通信。这个也可以理解，由于互联网就是传统的 C/S(服务器端-客户端)架构，对于客户端开发来说，主要就是移动应用开发、PC端应用开发、Web 浏览器开发，这些是互联网主要的流量入口，应用和浏览器需要通信的对象就是服务器，服务器要做的也是和客户端更好的进行通信，所以如果需要从事互联网的工作，那么对 Socket 编程相对于其他 IPC 手段就需要更熟悉，特别是服务器后台开发，客户端还好，客户端业务逻辑和 UI 体验相对重要，至于一些系统层技术，开发框架都已经封装的很好了，只需掌握使用方法就可以，像android 、 IOS开发。但是如果你是从事系统开发，那么所有的 IPC 方式都需要了解，特别是消息传递、共享内存需要深入了解。

具体的 IPC 手段

信号

软件中断通知事件处理例如：SIGFPE, SIGKILL, SIGUSR1, SIGSTOP, SIGCONT
接收到信号会发生什么：

Catch：指定信号处理函数被调用
Ignore：依靠操作系统的默认操作
example：Abort，memory dump，suspend or resume process
Mask：闭塞信号，因此不会发生
可能是暂时的（处理同样类型的信号）

不足：不能传输要交换的任何数据

特点：

signals are only delivered between processes when either: 仅在同一个用户的进程间传递，或者超级用户发出信号
1. the processes involved are run by the same user
2. the raising process is run by a superuser
signal types and type names are defined in signal.h 定义在 signal.h 文件
signals are not queued 信号没有排队
handlers “terminate process” (SIG_DFL) and “ignore signal” (SIG_IGN) are already defined in signal.h 常用终止进程和忽略信号定义在 signal.h

unix 主要接口信息：

#include: signal.h

functions：void raise(int sig_type)
description：用信号sig_type发信号。

functions：void signal(int sig_type, void (*sig_handler)(int signal_type))
description：sig_type是signal.h中定义的信号值（或名称）之一。 sig_handles是一个指向带有int参数的函数的指针。当进程被指定类型的信号命中时，此函数将在进程上下文中运行。

functions：int kill(pid_t dest_pid, int sig_type)
description：向使用PID dest_pid运行的进程发送sig_type类型的信号。 dest_pid的特定类型0和-1 make kill（）分别发送与发送方的同一组执行的所有进程，并发信号通知系统中运行的所有进程（仅适用于超级用户凭据)。

管道和FIFO

1.管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。
特点：

pipes are uni-directional 半双工
with file descriptors, they can only be shared between processes with parent-child relationship 只能用于父子进程间
atomicity is guaranteed for messages shorter than PIPE_BUF bytes 特定大小缓存保持原子性
alf-open pipes are told widowed (or broken) pipes. Writing on them causes a write error, reading from them always returns 0 bytes. 坏的管道，会出现写错误，读取时，返回0字节.

unix 主要接口信息：

#include: unistd.h
functions： int pipe(int *fd_couple)  
description：创建一个管道并将其文件描述符存储到fd_couple [0]（读取结束）和fd_couple [1]（写入结束）。 
return： 成功返回 0，错误返回 -1

模拟使用场景，实现 Linux 系统调用 popen，主要代码：

FILE * vpopen(const char * cmdstring, const char * type)
{
    int pfd[2];
    FILE * fp;
    pid_t pid;

    if ((type[0] != 'r' && type[0] != 'w') || type[1] != 0)
    {
        errno = EINVAL;
        return (NULL);
    }

    if(pipe(pfd) != 0)
    {
        return NULL;
    }

    if((pid = vfork()) < 0) // vfork 相对于fork区别是: vfork需要等待子进程执行完后才开始执行，两者共享地址空间
    {
        return NULL;
    }
    else if(pid == 0) // 子进程
    {
        if(*type == 'r')
        {
            close(pfd[0]);
            if (pfd[1] != STDOUT_FILENO)
            {
                dup2(pfd[1], STDOUT_FILENO);
                close(pfd[1]);
            }
        }
        else 
        {
            close(pfd[1]);
            if (pfd[0] != STDIN_FILENO)
            {
                dup2(pfd[0], STDIN_FILENO);
                close(pfd[0]);
            }
        }

        if(execl("/bin/bash", "bash", "-c", cmdstring, (char *) 0) < 0)
        {
            return NULL;
        }
    }

    wait(0); // 等子进程结束，回收子进程

    if (*type == 'r')
    {
        close(pfd[1]);
        if ((fp = fdopen(pfd[0], type)) == NULL)
        {
            return (NULL);
        }
    }
    else
    {
        close(pfd[0]);
        if ((fp = fdopen(pfd[1], type)) == NULL)
        {
            return (NULL);
        }
    }

    return (fp);
}

2.有名管道，FIFO，
特点：

每个FIFO有一个路径名与之关联，允许无亲缘关系进程间的通信
拥有标准管道的属性和特征

unix 主要接口信息：

*  #include: sys/types.h and sys/stat.h
*  functions： int mkfifo(char *path, mode_t mode) 
*  description：path是要创建的FIFO文件的（路径+）名称。 mode是文件权限（请参阅umask（2）和chmod（2））
*  return： 成功返回 0，错误返回非 0

模拟使用场景：

* 模拟场景
*  1. 在 shell 端使用命令创建有名管道： mkfifo /tmp/named_pipe
*  2. 运行该接口
*  3. 在 shell 端写入数据到管道 ：echo "hey, this is a message" > /tmp/named_pipe
*  4. 测试完毕，删除管道： rm /tmp/named_pipe
* 
*  当然我们也可以自己启动一个任意进程向FIFO管道里面写数据

具体实现代码：

int fifo_read()
{
    int pipe;
    char ch;
    static char TmpCh;

    /* we expect a named pipe has been created
     * in /tmp/named_pipe . The command
     *   $ mkfifo /tmp/named_pipe
     * is a friend to get to this point
     */

    pipe = open("/tmp/named_pipe", O_RDONLY);
    if (pipe < 0) {
        printf("open fifo error, maybe you should create a fifo first !\n");
        exit(1);
    }
        
    /* preparing to read from the pipe... */
    printf("Waiting data from the pipe... \n");

    /* reading one char a time from the pipe */
    while (1) {
        if (read(pipe, &ch, 1) < 0) {
            printf("Read the pipe failed! \n");
            exit(2);
        }
        

        if(ch != TmpCh)
        {
            printf("%c", ch);
        }

        TmpCh = ch;
    }
    
    /* leaving the pipe */
    close(pipe);
    
    return 0;
}

总结

上述主要对IPC做了一个大体的介绍，以及介绍了信号(signal)和管道两种IPC方式，这两者在Linux系统自带功能实现中用的较多。至于 Posix和 System V的进程间通信方式 消息队列，信号和 共享内存，由于内容较多后面再单独介绍。