UNIX IPC

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进程间通信

Linux及城建通信可以分为两类，一类是同一台主机之间的进程间通信，另一类是网络之间的进程通信。
同一台主机之间的进程通信有以下几种：

  1. 管道
  2. 协程
  3. FIFO
  4. 消息队列
  5. 信号量
  6. 共享存储
  7. UNIX域套接字。

而网络通信主要就是套接字通信。

管道

管道的局限性：

  1. 半双工。（虽然大多数实现都是全双工，为了移植性，假设是半双工）。
  2. 管道只能在具有公共祖先的两个进程之间使用。

FIFO没有第二种局限性，UNIX域套接字两种局限性都没有。

函数popen和pclose

popen创建一个FILE stream指针。
指定参数’r’从cmd的标准输出读，指定参数’w’向cmd的标准输入写。

协同进程

UNIX过滤程序从标准输入读取数据，向标准输出读取数据。
当一个过滤程序即产生某个过滤程序的输入，又读取该过滤程序的输出时，它就变成了协同进程。
popen只提供连接到另一个进程的标准输入或者标准输出的单向通道，而协同新城有连接到另一个进程的两个单向管道：一个连接到其标准输入，另一个则连接到它的标准输出。
相当于我们把数据写入一个进程的标准输出，经过它的处理后，又从它的标准输出读出。（可以通过创建两个管道来实现，一个管道向该进程的标准输入写，另一个管道从该进程的标准输出读。）
注意如果使用标准IO函数测试的话，可能要注意缓冲区的设置。

FIFO

FIFO也叫命名管道。但是管道只能在两个相关的进程之间使用，而FIFO可以在任意两个进程之间交换数据。
创建一个FIFO之后，需要使用open打开它。
如果不指定O_NONBLOCK，只读open会阻塞到别的进程为写打开这个FIFO为止，而只写open会阻塞到别的进程为读而打开这个FIFO为止。
如果指定O_NONBLOCK，只读open总是返回成功。而如果没有其他进程为读打开这个FIFO，返回-1，置位errno为ENXIO。
FIFO的用处：

  1. shell命令将数据从一条管道传送到另一条时，无需创建中间临时文件。
  2. 客户进程-服务器进程应用程序中，FIFO用作汇集点，在服务器和客户端之间传送数据。

XSI IPC

XSI IPC包含三种，分别是消息队列，信号量，共享内存。IPC通过IPC描述符进行访问（和文件描述很像）。但是和文件不同的是，IPC都没有名字，所以要创建多个IPC，怎么区分它们，这个就是key（键）的作用，每一个IPC都有一个键（和文件名字很像）。
问题就是怎么让通信的进程知道它们要使用的IPC描述符？

  1. 使用IPC_PRIVATE创建一个新的IPC（IPC_PRIVATE保证创建一个新的IPC，将返回的IPC描述符存放在一个文件中。或者就是父子进程之间，直接复制IPC描述符。
  2. 在一个公用的头文件中指定一个键，这个键被父进程和子进程都认可。这种可能是键已经被用过了，再创建的时候就会出错。
  3. 根据一个路径名和项目ID创建一个键。

不能使用IPC_PRIVATE作为一个键来引用消息队列，引用消息队列时要绕过get函数。

优点和缺点

  1. IPC都是在系统范围内起作用的，没有引用计数，所以，如果进程创建了一个IPC，然后退出，那么这些IPC都不会被删除，需要显式的删除。在使用信号量时，如果进程退出时没有释放信号量，信号量不会被释放。
  2. IPC结构在文件系统中没有名字，所以不能使用操作文件的那些函数，需要增加新的系统调用和命令。
    此外，没有办法使用多路转接。
  3. 如果显式的删除IPC的话，不管当前有多少个进程在使用，都会被删除。下一次再使用的话就会报错。

XSI消息队列

消息队列

XSI信号量

XSI信号量是一个计数器，用于为多个进程提供对共享数据的访问。但是XSI信号量不是单个信号量，而是一个信号量的集合。
需要使用semget创建一个信号量集合（数量可以等于1）。
然后使用semget获得一个信号量描述符（成功创建时返回的也是信号量描述符）。
接下来使用semctl设置每个信号量的值。
使用semop控制信号量值的增和减。

XSI信号量的缺点：

  1. 是一个信号集合。
  2. 信号量的创建和初始化是分开的。
  3. 当进程退出时，可能没有释放分配给他的信号量，使用SEM_UNDO解决。

XSI共享内存[2]

共享内存允许两个或者多个进程共享一个给定的存储区。因为数据不需要在客户进程和服务器进程之间进行复制，这是最快的一种IPC。
使用共享内存时，需要注意的是，在多个进程之间同步访问一个给定的存储区。通常使用信号量同步共享内存，当然也可以使用互斥量和记录锁，线程锁共享。

共享内存和存储IO映射的区别，用mmap映射的存储段是和文件相关的，而XSI共享内存并没有这种限制。

它们之间的区别

  1. 信号量和互斥量的区别。都表示对于资源的访问权，但是信号量的资源计数可以超过1，而互斥量的资源计数为1。
  2. 消息队列。

进程间传递字符串

若果需要两个进程间的双向数据流，可以使用消息队列和全双工管道。

  1. 全双工管道。
  2. 消息队列。先创建一个消息队列，然后调用fork，它们就可以实现通信了。因为消息队列不能使用IPC_PRIVATE作为一个KEY打开消息队列。

进程同步的方法

信号量，记录锁和互斥量的比较。如果在多个进程中共享同一个资源，可以使用这三种方法的任意一种来实现。

  1. 使用信号量。创建一个包含一个成员的信号量集合，将该信号量的值初始化为1。为了分配资源，以sem_op为-1调用semop，为了释放资源，以sem_op为+1调用semop。对每个操作都指定SEM_UNDO，处理在未释放资源条件下进程终止的情况。
  2. 使用记录锁。创建一个空文件，并且使用该文件的第一个字节（无需存在）作为锁字节，为了分配资源，先对该字节获得一个写锁。释放资源时，对该字节解锁。记录锁的性质保证了一个锁的持有者进程终止时，内核会自动释放资源。
  3. 使用互斥量。所有的进程将相同的文件映射到它们的地址空间中，使用PTHREAD_PROCESS_SHARED互斥量属性在文件的相同偏移处初始化互斥量。为了分配资源，对互斥量加锁。为了释放资源，解锁互斥量。如果一个进程没有释放互斥量而终止，恢复是非常困难的。

参考文献

1.《APUE》第三版
2.https://www.cnblogs.com/my_life/articles/4538299.html