▍進(jìn)程的概念

·?進(jìn)程是操作系統(tǒng)的概念，每當(dāng)我們執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)講就創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)程,在這個(gè)過(guò)程中，伴隨著資源的分配和釋放?？梢哉J(rèn)為進(jìn)程是一個(gè)程序的一次執(zhí)行過(guò)程。

▍進(jìn)程通信的概念

·?進(jìn)程用戶(hù)空間是相互獨(dú)立的，一般而言是不能相互訪問(wèn)的。但很多情況下進(jìn)程間需要互相通信，來(lái)完成系統(tǒng)的某項(xiàng)功能。進(jìn)程通過(guò)與內(nèi)核及其它進(jìn)程之間的互相通信來(lái)協(xié)調(diào)它們的行為。

▍進(jìn)程通信的應(yīng)用場(chǎng)景

數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程，發(fā)送的數(shù)據(jù)量在一個(gè)字節(jié)到幾兆字節(jié)之間。

共享數(shù)據(jù)：多個(gè)進(jìn)程想要操作共享數(shù)據(jù)，一個(gè)進(jìn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的修改，別的進(jìn)程應(yīng)該立刻看到。

通知事件：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它（它們）發(fā)生了某種事件（如進(jìn)程終止時(shí)要通知父進(jìn)程）。

資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的資源。為了作到這一點(diǎn)，需要內(nèi)核提供鎖和同步機(jī)制。

進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行（如Debug進(jìn)程），此時(shí)控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個(gè)進(jìn)程的所有陷入和異常，并能夠及時(shí)知道它的狀態(tài)改變。

▍進(jìn)程通信的方式

管道( pipe )：

管道包括三種:

·?普通管道PIPE：通常有兩種限制,一是單工,只能單向傳輸;二是只能在父子或者兄弟進(jìn)程間使用.

·?流管道s_pipe: 去除了第一種限制,為半雙工，只能在父子或兄弟進(jìn)程間使用，可以雙向傳輸.

·?命名管道:name_pipe：去除了第二種限制,可以在許多并不相關(guān)的進(jìn)程之間進(jìn)行通訊.

信號(hào)量( semophore ) ：

·?信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以用來(lái)控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)。它常作為一種鎖機(jī)制，防止某進(jìn)程正在訪問(wèn)共享資源時(shí)，其他進(jìn)程也訪問(wèn)該資源。因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程內(nèi)不同線(xiàn)程之間的同步手段。

消息隊(duì)列( message queue ) ：

·?消息隊(duì)列是由消息的鏈表，存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。消息隊(duì)列克服了信號(hào)傳遞信息少、管道只能承載無(wú)格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。

信號(hào) ( sinal ) ：

·?信號(hào)是一種比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接收進(jìn)程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生。

共享內(nèi)存( shared memory ) ：

·?共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問(wèn)的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，但多個(gè)進(jìn)程都可以訪問(wèn)。共享內(nèi)存是最快的 IPC 方式，它是針對(duì)其他進(jìn)程間通信方式運(yùn)行效率低而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。它往往與其他通信機(jī)制，如信號(hào)兩，配合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信。

套接字( socket ) ：

·?套解口也是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他通信機(jī)制不同的是，它可用于不同機(jī)器間的進(jìn)程通信。

▍各進(jìn)程間通信的原理

管道

管道是如何通信的

管道是由內(nèi)核管理的一個(gè)緩沖區(qū)，相當(dāng)于我們放入內(nèi)存中的一個(gè)紙條。管道的一端連接一個(gè)進(jìn)程的輸出。這個(gè)進(jìn)程會(huì)向管道中放入信息。管道的另一端連接一個(gè)進(jìn)程的輸入，這個(gè)進(jìn)程取出被放入管道的信息。一個(gè)緩沖區(qū)不需要很大，它被設(shè)計(jì)成為環(huán)形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便管道可以被循環(huán)利用。當(dāng)管道中沒(méi)有信息的話(huà)，從管道中讀取的進(jìn)程會(huì)等待，直到另一端的進(jìn)程放入信息。當(dāng)管道被放滿(mǎn)信息的時(shí)候，嘗試放入信息的進(jìn)程會(huì)等待，直到另一端的進(jìn)程取出信息。當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程都終結(jié)的時(shí)候，管道也自動(dòng)消失。

管道是如何創(chuàng)建的

從原理上，管道利用fork機(jī)制建立，從而讓兩個(gè)進(jìn)程可以連接到同一個(gè)PIPE上。最開(kāi)始的時(shí)候，上面的兩個(gè)箭頭都連接在同一個(gè)進(jìn)程Process 1上(連接在Process 1上的兩個(gè)箭頭)。當(dāng)fork復(fù)制進(jìn)程的時(shí)候，會(huì)將這兩個(gè)連接也復(fù)制到新的進(jìn)程(Process 2)。隨后，每個(gè)進(jìn)程關(guān)閉自己不需要的一個(gè)連接 (兩個(gè)黑色的箭頭被關(guān)閉; Process 1關(guān)閉從PIPE來(lái)的輸入連接，Process 2關(guān)閉輸出到PIPE的連接)，這樣，剩下的紅色連接就構(gòu)成了如上圖的PIPE。

·?管道通信的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)?

在 Linux 中，管道的實(shí)現(xiàn)并沒(méi)有使用專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是借助了文件系統(tǒng)的file結(jié)構(gòu)和VFS的索引節(jié)點(diǎn)inode。通過(guò)將兩個(gè) file 結(jié)構(gòu)指向同一個(gè)臨時(shí)的 VFS 索引節(jié)點(diǎn)，而這個(gè) VFS 索引節(jié)點(diǎn)又指向一個(gè)物理頁(yè)面而實(shí)現(xiàn)的。如下圖

有兩個(gè) file 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它們定義文件操作進(jìn)程地址是不同的，其中一個(gè)是向管道中寫(xiě)入數(shù)據(jù)的進(jìn)程地址，而另一個(gè)是從管道中讀出數(shù)據(jù)的進(jìn)程地址。這樣，用戶(hù)程序的系統(tǒng)調(diào)用仍然是通常的文件操作，而內(nèi)核卻利用這種抽象機(jī)制實(shí)現(xiàn)了管道這一特殊操作。

▍關(guān)于管道的讀寫(xiě)

管道實(shí)現(xiàn)的源代碼在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函數(shù)，其中有兩個(gè)函數(shù)比較重要，即管道讀函數(shù)pipe_read()和管道寫(xiě)函數(shù)pipe_wrtie()。管道寫(xiě)函數(shù)通過(guò)將字節(jié)復(fù)制到 VFS 索引節(jié)點(diǎn)指向的物理內(nèi)存而寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而管道讀函數(shù)則通過(guò)復(fù)制物理內(nèi)存中的字節(jié)而讀出數(shù)據(jù)。當(dāng)然，內(nèi)核必須利用一定的機(jī)制同步對(duì)管道的訪問(wèn)，為此，內(nèi)核使用了鎖、等待隊(duì)列和信號(hào)。

當(dāng)寫(xiě)進(jìn)程向管道中寫(xiě)入時(shí)，它利用標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)write()，系統(tǒng)根據(jù)庫(kù)函數(shù)傳遞的文件描述符，可找到該文件的 file 結(jié)構(gòu)。file 結(jié)構(gòu)中指定了用來(lái)進(jìn)行寫(xiě)操作的函數(shù)（即寫(xiě)入函數(shù)）地址，于是，內(nèi)核調(diào)用該函數(shù)完成寫(xiě)操作。寫(xiě)入函數(shù)在向內(nèi)存中寫(xiě)入數(shù)據(jù)之前，必須首先檢查 VFS 索引節(jié)點(diǎn)中的信息，同時(shí)滿(mǎn)足如下條件時(shí)，才能進(jìn)行實(shí)際的內(nèi)存復(fù)制工作：

·?內(nèi)存中有足夠的空間可容納所有要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)；

·?內(nèi)存沒(méi)有被讀程序鎖定。

如果同時(shí)滿(mǎn)足上述條件，寫(xiě)入函數(shù)首先鎖定內(nèi)存，然后從寫(xiě)進(jìn)程的地址空間中復(fù)制數(shù)據(jù)到內(nèi)存。否則，寫(xiě)入進(jìn)程就休眠在 VFS 索引節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中，接下來(lái)，內(nèi)核將調(diào)用調(diào)度程序，而調(diào)度程序會(huì)選擇其他進(jìn)程運(yùn)行。寫(xiě)入進(jìn)程實(shí)際處于可中斷的等待狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)存中有足夠的空間可以容納寫(xiě)入數(shù)據(jù)，或內(nèi)存被解鎖時(shí)，讀取進(jìn)程會(huì)喚醒寫(xiě)入進(jìn)程，這時(shí)，寫(xiě)入進(jìn)程將接收到信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存之后，內(nèi)存被解鎖，而所有休眠在索引節(jié)點(diǎn)的讀取進(jìn)程會(huì)被喚醒。

管道的讀取過(guò)程和寫(xiě)入過(guò)程類(lèi)似。但是，進(jìn)程可以在沒(méi)有數(shù)據(jù)或內(nèi)存被鎖定時(shí)立即返回錯(cuò)誤信息，而不是阻塞該進(jìn)程，這依賴(lài)于文件或管道的打開(kāi)模式。反之，進(jìn)程可以休眠在索引節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中等待寫(xiě)入進(jìn)程寫(xiě)入數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的進(jìn)程完成了管道操作之后，管道的索引節(jié)點(diǎn)被丟棄，而共享數(shù)據(jù)頁(yè)也被釋放。

▍Linux函數(shù)原型

#include?
int pipe(int filedes[2]);

filedes[0]用于讀出數(shù)據(jù)，讀取時(shí)必須關(guān)閉寫(xiě)入端，即close(filedes[1]);

filedes[1]用于寫(xiě)入數(shù)據(jù)，寫(xiě)入時(shí)必須關(guān)閉讀取端，即close(filedes[0])。

程序?qū)嵗?/p>

int main(void)
{
????int?n;
????int?fd[2];
????pid_t?pid;
????char?line[MAXLINE];
????if(pipe(fd)??0){?????????????????/*?先建立管道得到一對(duì)文件描述符?*/
????????exit(0);
    }


????if((pid?=?fork())??0)????????????/*?父進(jìn)程把文件描述符復(fù)制給子進(jìn)程?*/
????????exit(1);
????else?if(pid?>?0){????????????????/*?父進(jìn)程寫(xiě)?*/
????????close(fd[0]);????????????????/*?關(guān)閉讀描述符?*/
????????write(fd[1],?"
hello?world
",?14);
    }


????else{????????????????????????????/*?子進(jìn)程讀?*/
????????close(fd[1]);????????????????/*?關(guān)閉寫(xiě)端?*/
????????n?=?read(fd[0],?line,?MAXLINE);
????????write(STDOUT_FILENO,?line,?n);
    }


????exit(0);
}

命名管道

由于基于fork機(jī)制，所以管道只能用于父進(jìn)程和子進(jìn)程之間，或者擁有相同祖先的兩個(gè)子進(jìn)程之間 (有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間)。為了解決這一問(wèn)題，Linux提供了FIFO方式連接進(jìn)程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)。

實(shí)現(xiàn)原理

FIFO (First in, First out)為一種特殊的文件類(lèi)型，它在文件系統(tǒng)中有對(duì)應(yīng)的路徑。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程以讀(r)的方式打開(kāi)該文件，而另一個(gè)進(jìn)程以寫(xiě)(w)的方式打開(kāi)該文件，那么內(nèi)核就會(huì)在這兩個(gè)進(jìn)程之間建立管道，所以FIFO實(shí)際上也由內(nèi)核管理，不與硬盤(pán)打交道。之所以叫FIFO，是因?yàn)楣艿辣举|(zhì)上是一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最早放入的數(shù)據(jù)被最先讀出來(lái)，從而保證信息交流的順序。FIFO只是借用了文件系統(tǒng)(file system,命名管道是一種特殊類(lèi)型的文件，因?yàn)長(zhǎng)inux中所有事物都是文件，它在文件系統(tǒng)中以文件名的形式存在。)來(lái)為管道命名。寫(xiě)模式的進(jìn)程向FIFO文件中寫(xiě)入，而讀模式的進(jìn)程從FIFO文件中讀出。當(dāng)刪除FIFO文件時(shí)，管道連接也隨之消失。FIFO的好處在于我們可以通過(guò)文件的路徑來(lái)識(shí)別管道，從而讓沒(méi)有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間建立連接

函數(shù)原型：

#include?#include?
int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);
int mknode(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t) 0 );

其中filename是被創(chuàng)建的文件名稱(chēng)，mode表示將在該文件上設(shè)置的權(quán)限位和將被創(chuàng)建的文件類(lèi)型(在此情況下為S_IFIFO)，dev是當(dāng)創(chuàng)建設(shè)備特殊文件時(shí)使用的一個(gè)值。因此，對(duì)于先進(jìn)先出文件它的值為0。

程序?qū)嵗?/p>

#include???#include???#include???#include???
int main()  
{??
????int?res?=?mkfifo("/tmp/my_fifo",?0777);??
????if?(res?==?0)??
????{??
????????printf("FIFO?created/n");??
????}??
?????exit(EXIT_SUCCESS);??
}

▍信號(hào)量

什么是信號(hào)量

為了防止出現(xiàn)因多個(gè)程序同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)共享資源而引發(fā)的一系列問(wèn)題，我們需要一種方法。比如在任一時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行線(xiàn)程訪問(wèn)代碼的臨界區(qū)域。臨界區(qū)域是指執(zhí)行數(shù)據(jù)更新的代碼需要獨(dú)占式地執(zhí)行。而信號(hào)量就可以提供這樣的一種訪問(wèn)機(jī)制，讓一個(gè)臨界區(qū)同一時(shí)間只有一個(gè)線(xiàn)程在訪問(wèn)它，也就是說(shuō)信號(hào)量是用來(lái)調(diào)協(xié)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)的。

信號(hào)量是一個(gè)特殊的變量，程序?qū)ζ湓L問(wèn)都是原子操作，且只允許對(duì)它進(jìn)行等待（即P(信號(hào)變量))和發(fā)送（即V(信號(hào)變量))信息操作。最簡(jiǎn)單的信號(hào)量是只能取0和1的變量，這也是信號(hào)量最常見(jiàn)的一種形式，叫做二進(jìn)制信號(hào)量。而可以取多個(gè)正整數(shù)的信號(hào)量被稱(chēng)為通用信號(hào)量。

信號(hào)量的工作原理

由于信號(hào)量只能進(jìn)行兩種操作等待和發(fā)送信號(hào)，即P(sv)和V(sv),他們的行為是這樣的：

· P(sv)：如果sv的值大于零，就給它減1；如果它的值為零，就掛起該進(jìn)程的執(zhí)行

· V(sv)：如果有其他進(jìn)程因等待sv而被掛起，就讓它恢復(fù)運(yùn)行，如果沒(méi)有進(jìn)程因等待sv而掛起，就給它加1.

舉個(gè)例子，就是兩個(gè)進(jìn)程共享信號(hào)量sv，一旦其中一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行了P(sv)操作，它將得到信號(hào)量，并可以進(jìn)入臨界區(qū)，使sv減1。而第二個(gè)進(jìn)程將被阻止進(jìn)入臨界區(qū)，因?yàn)楫?dāng)它試圖執(zhí)行P(sv)時(shí)，sv為0，它會(huì)被掛起以等待第一個(gè)進(jìn)程離開(kāi)臨界區(qū)域并執(zhí)行V(sv)釋放信號(hào)量，這時(shí)第二個(gè)進(jìn)程就可以恢復(fù)執(zhí)行。

▍Linux的信號(hào)量機(jī)制

Linux提供了一組精心設(shè)計(jì)的信號(hào)量接口來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，它們不只是針對(duì)二進(jìn)制信號(hào)量，下面將會(huì)對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行介紹，但請(qǐng)注意，這些函數(shù)都是用來(lái)對(duì)成組的信號(hào)量值進(jìn)行操作的。它們聲明在頭文件sys/sem.h中。

semget函數(shù)

它的作用是創(chuàng)建一個(gè)新信號(hào)量或取得一個(gè)已有信號(hào)量，原型為：

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

第一個(gè)參數(shù)key是整數(shù)值（唯一非零），不相關(guān)的進(jìn)程可以通過(guò)它訪問(wèn)一個(gè)信號(hào)量，它代表程序可能要使用的某個(gè)資源，程序?qū)λ行盘?hào)量的訪問(wèn)都是間接的，程序先通過(guò)調(diào)用semget函數(shù)并提供一個(gè)鍵，再由系統(tǒng)生成一個(gè)相應(yīng)的信號(hào)標(biāo)識(shí)符（semget函數(shù)的返回值），只有semget函數(shù)才直接使用信號(hào)量鍵，所有其他的信號(hào)量函數(shù)使用由semget函數(shù)返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符。如果多個(gè)程序使用相同的key值，key將負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)工作。

第二個(gè)參數(shù)num_sems指定需要的信號(hào)量數(shù)目，它的值幾乎總是1。?

第三個(gè)參數(shù)sem_flags是一組標(biāo)志，當(dāng)想要當(dāng)信號(hào)量不存在時(shí)創(chuàng)建一個(gè)新的信號(hào)量，可以和值IPC_CREAT做按位或操作。設(shè)置了IPC_CREAT標(biāo)志后，即使給出的鍵是一個(gè)已有信號(hào)量的鍵，也不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。而IPC_CREAT | IPC_EXCL則可以創(chuàng)建一個(gè)新的，唯一的信號(hào)量，如果信號(hào)量已存在，返回一個(gè)錯(cuò)誤。

semget函數(shù)成功返回一個(gè)相應(yīng)信號(hào)標(biāo)識(shí)符（非零），失敗返回-1.

semop函數(shù)

它的作用是改變信號(hào)量的值，原型為：

int?semop(int?sem_id,?struct?sembuf?*sem_opa,?size_t?num_sem_ops);??

· 1

sem_id是由semget返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符，sembuf結(jié)構(gòu)的定義如下：

struct?sembuf{??

????short?sem_num;//除非使用一組信號(hào)量，否則它為0??
????short?sem_op;//信號(hào)量在一次操作中需要改變的數(shù)據(jù)，通常是兩個(gè)數(shù)，一個(gè)是-1，即P（等待）操作，??
????????????????????//一個(gè)是+1，即V（發(fā)送信號(hào)）操作。?
????short?sem_flg;//通常為SEM_UNDO,使操作系統(tǒng)跟蹤信號(hào)，??
????????????????????//并在進(jìn)程沒(méi)有釋放該信號(hào)量而終止時(shí)，操作系統(tǒng)釋放信號(hào)量??
};

semctl函數(shù)

int?semctl(int?sem_id,?int?sem_num,?int?command,?...);??
· 1

如果有第四個(gè)參數(shù)，它通常是一個(gè)union semum結(jié)構(gòu)，定義如下：

union?semun{??
????int?val;??
????struct?semid_ds?*buf;??
????unsigned?short?*arry;??
};

前兩個(gè)參數(shù)與前面一個(gè)函數(shù)中的一樣，command通常是下面兩個(gè)值中的其中一個(gè)?

SETVAL：用來(lái)把信號(hào)量初始化為一個(gè)已知的值。p 這個(gè)值通過(guò)union semun中的val成員設(shè)置，其作用是在信號(hào)量第一次使用前對(duì)它進(jìn)行設(shè)置。?

IPC_RMID：用于刪除一個(gè)已經(jīng)無(wú)需繼續(xù)使用的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符。

▍消息隊(duì)列

什么是消息隊(duì)列

消息隊(duì)列是消息的鏈接表，包括Posix消息隊(duì)列system V消息隊(duì)列。有足夠權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息，被賦予讀權(quán)限的進(jìn)程則可以讀走隊(duì)列中的消息。消息隊(duì)列克服了信號(hào)承載信息量少，管道只能承載無(wú)格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。消息隊(duì)列是隨內(nèi)核持續(xù)的。

每個(gè)消息隊(duì)列都有一個(gè)隊(duì)列頭，用結(jié)構(gòu)struct msg_queue來(lái)描述。隊(duì)列頭中包含了該消息隊(duì)列的大量信息，包括消息隊(duì)列鍵值、用戶(hù)ID、組ID、消息隊(duì)列中消息數(shù)目等等，甚至記錄了最近對(duì)消息隊(duì)列讀寫(xiě)進(jìn)程的ID。讀者可以訪問(wèn)這些信息，也可以設(shè)置其中的某些信息。

結(jié)構(gòu)msg_queue用來(lái)描述消息隊(duì)列頭，存在于系統(tǒng)空間：

struct?msg_queue?{
????struct?kern_ipc_perm?q_perm;
????time_t?q_stime;????????/*?last?msgsnd?time?*/
????time_t?q_rtime;????????/*?last?msgrcv?time?*/
????time_t?q_ctime;????????/*?last?change?time?*/
????unsigned?long?q_cbytes;????/*?current?number?of?bytes?on?queue?*/
????unsigned?long?q_qnum;??????/*?number?of?messages?in?queue?*/
????unsigned?long?q_qbytes;????/*?max?number?of?bytes?on?queue?*/
????pid_t?q_lspid;??????????/*?pid?of?last?msgsnd?*/
????pid_t?q_lrpid;??????????/*?last?receive?pid?*/
????struct?list_head?q_messages;
????struct?list_head?q_receivers;
????struct?list_head?q_senders;
};

結(jié)構(gòu)msqid_ds用來(lái)設(shè)置或返回消息隊(duì)列的信息，存在于用戶(hù)空間：

struct?msqid_ds?{
????struct?ipc_perm?msg_perm;
????struct?msg?*msg_first;??????/*?first?message?on?queue,unused??*/
????struct?msg?*msg_last;??????/*?last?message?in?queue,unused?*/
????__kernel_time_t?msg_stime;??/*?last?msgsnd?time?*/
????__kernel_time_t?msg_rtime;??/*?last?msgrcv?time?*/
????__kernel_time_t?msg_ctime;??/*?last?change?time?*/
????unsigned?long??msg_lcbytes;?/*?Reuse?junk?fields?for?32?bit?*/
????unsigned?long??msg_lqbytes;?/*?ditto?*/
????unsigned?short?msg_cbytes;??/*?current?number?of?bytes?on?queue?*/
????unsigned?short?msg_qnum;????/*?number?of?messages?in?queue?*/
????unsigned?short?msg_qbytes;??/*?max?number?of?bytes?on?queue?*/
????__kernel_ipc_pid_t?msg_lspid;??/*?pid?of?last?msgsnd?*/
????__kernel_ipc_pid_t?msg_lrpid;??/*?last?receive?pid?*/
};

▍消息隊(duì)列與內(nèi)核的聯(lián)系

下圖說(shuō)明了內(nèi)核與消息隊(duì)列是怎樣建立起聯(lián)系的：

從上圖可以看出，全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) struct ipc_ids msg_ids 可以訪問(wèn)到每個(gè)消息隊(duì)列頭的第一個(gè)成員：struct kern_ipc_perm；而每個(gè)struct kern_ipc_perm能夠與具體的消息隊(duì)列對(duì)應(yīng)起來(lái)是因?yàn)樵谠摻Y(jié)構(gòu)中，有一個(gè)key_t類(lèi)型成員key，而key則唯一確定一個(gè)消息隊(duì)列。kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)如下：

struct kern_ipc_perm{??//內(nèi)核中記錄消息隊(duì)列的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)msg_ids能夠訪問(wèn)到該結(jié)構(gòu)；
key_t??key;????//該鍵值則唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)消息隊(duì)列
uid_t??uid;
gid_t??gid;
uid_t??cuid;
gid_t??cgid;
mode_t??mode;unsigned?long?seq;
}

▍消息隊(duì)列的操作

打開(kāi)或創(chuàng)建消息隊(duì)列息隊(duì)列的內(nèi)核持續(xù)性要求每個(gè)消息隊(duì)列都在系統(tǒng)范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)唯一的鍵值，所以，要獲得一個(gè)消息隊(duì)列的描述字，只需提供該消息隊(duì)列的鍵值即可；

注：消息隊(duì)列描述字是由在系統(tǒng)范圍內(nèi)唯一的鍵值生成的，而鍵值可以看作對(duì)應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的一條路經(jīng)。

讀寫(xiě)的操作

消息讀寫(xiě)操作非常簡(jiǎn)單，對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，每個(gè)消息都類(lèi)似如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct?msgbuf{long?mtype;char?mtext[1];

};

mtype成員代表消息類(lèi)型，從消息隊(duì)列中讀取消息的一個(gè)重要依據(jù)就是消息的類(lèi)型；mtext是消息內(nèi)容，當(dāng)然長(zhǎng)度不一定為1。因此，對(duì)于發(fā)送消息來(lái)說(shuō)， 首先預(yù)置一個(gè)msgbuf緩沖區(qū)并寫(xiě)入消息類(lèi)型和內(nèi)容，調(diào)用相應(yīng)的發(fā)送函數(shù)即可；對(duì)讀取消息來(lái)說(shuō)，首先分配這樣一個(gè)msgbuf緩沖區(qū)，然后把消息讀入該緩沖區(qū)即可。

·?獲得或設(shè)置消息隊(duì)列屬性：

消息隊(duì)列的信息基本上都保存在消息隊(duì)列頭中，因此，可以分配一個(gè)類(lèi)似于消息隊(duì)列頭的結(jié)構(gòu)，來(lái)返回消息隊(duì)列的屬性；同樣可以設(shè)置該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

▍信號(hào)

信號(hào)本質(zhì)

·?信號(hào)是在軟件層次上對(duì)中斷機(jī)制的一種模擬，在原理上，一個(gè)進(jìn)程收到一個(gè)信號(hào)與處理器收到一個(gè)中斷請(qǐng)求可以說(shuō)是一樣的。信號(hào)是異步的，一個(gè)進(jìn)程不必通過(guò)任何操作來(lái)等待信號(hào)的到達(dá)，事實(shí)上，進(jìn)程也不知道信號(hào)到底什么時(shí)候到達(dá)。

·?信號(hào)是進(jìn)程間通信機(jī)制中唯一的異步通信機(jī)制，可以看作是異步通知，通知接收信號(hào)的進(jìn)程有哪些事情發(fā)生了。信號(hào)機(jī)制經(jīng)過(guò)POSIX實(shí)時(shí)擴(kuò)展后，功能更加強(qiáng)大，除了基本通知功能外，還可以傳遞附加信息。

信號(hào)來(lái)源

信號(hào)事件的發(fā)生有兩個(gè)來(lái)源：硬件來(lái)源(比如我們按下了鍵盤(pán)或者其它硬件故障)；軟件來(lái)源，最常用發(fā)送信號(hào)的系統(tǒng)函數(shù)是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函數(shù)，軟件來(lái)源還包括一些非法運(yùn)算等操作。

信號(hào)的種類(lèi)

·?可以從兩個(gè)不同的分類(lèi)角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)：（1）可靠性方面：可靠信號(hào)與不可靠信號(hào)；（2）與時(shí)間的關(guān)系上：實(shí)時(shí)信號(hào)與非實(shí)時(shí)信號(hào)。

可靠信號(hào)和不可靠信號(hào)

不可靠信號(hào)

Linux信號(hào)機(jī)制基本上是從Unix系統(tǒng)中繼承過(guò)來(lái)的。早期Unix系統(tǒng)中的信號(hào)機(jī)制比較簡(jiǎn)單和原始，后來(lái)在實(shí)踐中暴露出一些問(wèn)題，因此，把那些建立在早期機(jī)制上的信號(hào)叫做”不可靠信號(hào)”，信號(hào)值小于SIGRTMIN(Red hat 7.2中，SIGRTMIN=32，SIGRTMAX=63)的信號(hào)都是不可靠信號(hào)。這就是”不可靠信號(hào)”的來(lái)源。它的主要問(wèn)題是：

·?進(jìn)程每次處理信號(hào)后，就將對(duì)信號(hào)的響應(yīng)設(shè)置為默認(rèn)動(dòng)作。在某些情況下，將導(dǎo)致對(duì)信號(hào)的錯(cuò)誤處理；因此，用戶(hù)如果不希望這樣的操作，那么就要在信號(hào)處理函數(shù)結(jié)尾再一次調(diào)用signal()，重新安裝該信號(hào)。

· 信號(hào)可能丟失。因此，早期unix下的不可靠信號(hào)主要指的是進(jìn)程可能對(duì)信號(hào)做出錯(cuò)誤的反應(yīng)以及信號(hào)可能丟失。?

Linux支持不可靠信號(hào)，但是對(duì)不可靠信號(hào)機(jī)制做了改進(jìn)：在調(diào)用完信號(hào)處理函數(shù)后，不必重新調(diào)用該信號(hào)的安裝函數(shù)（信號(hào)安裝函數(shù)是在可靠機(jī)制上的實(shí)現(xiàn)）。因此，Linux下的不可靠信號(hào)問(wèn)題主要指的是信號(hào)可能丟失。

?可靠信號(hào)

·?隨著時(shí)間的發(fā)展，實(shí)踐證明了有必要對(duì)信號(hào)的原始機(jī)制加以改進(jìn)和擴(kuò)充,力圖實(shí)現(xiàn)”可靠信號(hào)”。由于原來(lái)定義的信號(hào)已有許多應(yīng)用，不好再做改動(dòng)，最終只好又新增加了一些信號(hào)，并在一開(kāi)始就把它們定義為可靠信號(hào)，這些信號(hào)支持排隊(duì)，不會(huì)丟失。

·?信號(hào)值位于SIGRTMIN和SIGRTMAX之間的信號(hào)都是可靠信號(hào)，可靠信號(hào)克服了信號(hào)可能丟失的問(wèn)題。Linux在支持新版本的信號(hào)安裝函數(shù)sigation（）以及信號(hào)發(fā)送函數(shù)sigqueue()的同時(shí)，仍然支持早期的signal（）信號(hào)安裝函數(shù)，支持信號(hào)發(fā)送函數(shù)kill()

注意：可靠信號(hào)是指后來(lái)添加的新信號(hào)（信號(hào)值位于SIGRTMIN及SIGRTMAX之間）；不可靠信號(hào)是信號(hào)值小于SIGRTMIN的信號(hào)。信號(hào)的可靠與不可靠只與信號(hào)值有關(guān)，與信號(hào)的發(fā)送及安裝函數(shù)無(wú)關(guān)。

實(shí)時(shí)信號(hào)與非實(shí)時(shí)信號(hào)

·?非實(shí)時(shí)信號(hào)都不支持排隊(duì)，都是不可靠信號(hào)，編號(hào)是1-31,0是空信號(hào)；實(shí)時(shí)信號(hào)都支持排隊(duì)，都是可靠信號(hào)。

進(jìn)程對(duì)信號(hào)的響應(yīng)

·?忽略信號(hào)，即對(duì)信號(hào)不做任何處理，其中，有兩個(gè)信號(hào)不能忽略：SIGKILL及SIGSTOP；

·?捕捉信號(hào)。定義信號(hào)處理函數(shù)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù)；

·?執(zhí)行缺省操作，Linux對(duì)每種信號(hào)都規(guī)定了默認(rèn)操作

注意：進(jìn)程對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)的缺省反應(yīng)是進(jìn)程終止。

信號(hào)的發(fā)送和安裝

·?發(fā)送信號(hào)的主要函數(shù)有：kill()、raise()、 sigqueue()、alarm()、setitimer()以及abort()。

·?如果進(jìn)程要處理某一信號(hào)，那么就要在進(jìn)程中安裝該信號(hào)。安裝信號(hào)主要用來(lái)確定信號(hào)值及進(jìn)程針對(duì)該信號(hào)值的動(dòng)作之間的映射關(guān)系，即進(jìn)程將要處理哪個(gè)信號(hào)；該信號(hào)被傳遞給進(jìn)程時(shí)，將執(zhí)行何種操作。

注意：inux主要有兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的安裝：signal()、sigaction()。其中signal()在可靠信號(hào)系統(tǒng)調(diào)用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn), 是庫(kù)函數(shù)。它只有兩個(gè)參數(shù)，不支持信號(hào)傳遞信息，主要是用于前32種非實(shí)時(shí)信號(hào)的安裝；而sigaction()是較新的函數(shù)（由兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)：sys_signal以及sys_rt_sigaction），有三個(gè)參數(shù)，支持信號(hào)傳遞信息，主要用來(lái)與 sigqueue() 系統(tǒng)調(diào)用配合使用，當(dāng)然，sigaction()同樣支持非實(shí)時(shí)信號(hào)的安裝。sigaction()優(yōu)于signal()主要體現(xiàn)在支持信號(hào)帶有參數(shù)。

共享內(nèi)存

共享內(nèi)存可以說(shuō)是最有用的進(jìn)程間通信方式，也是最快的IPC形式。是針對(duì)其他通信機(jī)制運(yùn)行效率較低而設(shè)計(jì)的。兩個(gè)不同進(jìn)程A、B共享內(nèi)存的意思是，同一塊物理內(nèi)存被映射到進(jìn)程A、B各自的進(jìn)程地址空間。進(jìn)程A可以即時(shí)看到進(jìn)程B對(duì)共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新，反之亦然。由于多個(gè)進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，必然需要某種同步機(jī)制，互斥鎖和信號(hào)量都可以。

系統(tǒng)V共享內(nèi)存原理

進(jìn)程間需要共享的數(shù)據(jù)被放在一個(gè)叫做IPC共享內(nèi)存區(qū)域的地方，所有需要訪問(wèn)該共享區(qū)域的進(jìn)程都要把該共享區(qū)域映射到本進(jìn)程的地址空間中去。系統(tǒng)V共享內(nèi)存通過(guò)shmget獲得或創(chuàng)建一個(gè)IPC共享內(nèi)存區(qū)域，并返回相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。內(nèi)核在保證shmget獲得或創(chuàng)建一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)，初始化該共享內(nèi)存區(qū)相應(yīng)的shmid_kernel結(jié)構(gòu)體的同時(shí)，還將在特殊文件系統(tǒng)shm中，創(chuàng)建并打開(kāi)一個(gè)同名文件，并在內(nèi)存中建立起該文件的相應(yīng)dentry及inode結(jié)構(gòu)，新打開(kāi)的文件不屬于任何一個(gè)進(jìn)程（任何進(jìn)程都可以訪問(wèn)該共享內(nèi)存區(qū)）。所有這一切都是系統(tǒng)調(diào)用shmget完成的。

系統(tǒng)V共享內(nèi)存API

shmget()用來(lái)獲得共享內(nèi)存區(qū)域的ID，如果不存在指定的共享區(qū)域就創(chuàng)建相應(yīng)的區(qū)域。shmat()把共享內(nèi)存區(qū)域映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間中去，這樣，進(jìn)程就可以方便地對(duì)共享區(qū)域進(jìn)行訪問(wèn)操作。shmdt()調(diào)用用來(lái)解除進(jìn)程對(duì)共享內(nèi)存區(qū)域的映射。shmctl實(shí)現(xiàn)對(duì)共享內(nèi)存區(qū)域的控制操作。

▍套接字（socket）

最早出現(xiàn)在UNIX系統(tǒng)中，是UNIX系統(tǒng)主要的信息傳遞方式。

Socket相關(guān)概念

兩個(gè)基本概念：客戶(hù)方和服務(wù)方。當(dāng)兩個(gè)應(yīng)用之間需要采用SOCKET通信時(shí)，首先需要在兩個(gè)應(yīng)用之間（可能位于同一臺(tái)機(jī)器，也可能位于不同的機(jī)器）建立SOCKET連接。

發(fā)起呼叫連接請(qǐng)求的一方為客戶(hù)方?

在客戶(hù)方呼叫連接請(qǐng)求之前，它必須知道服務(wù)方在哪里。所以需要知道服務(wù)方所在機(jī)器的IP地址或機(jī)器名稱(chēng)，如果客戶(hù)方和服務(wù)方事前有一個(gè)約定就好了，這個(gè)約定就是PORT（端口號(hào)）。也就是說(shuō)，客戶(hù)方可以通過(guò)服務(wù)方所在機(jī)器的IP地址或機(jī)器名稱(chēng)和端口號(hào)唯一的確定方式來(lái)呼叫服務(wù)方。

接受呼叫連接請(qǐng)求的一方成為服務(wù)方。?

在客戶(hù)方呼叫之前，服務(wù)方必須處于偵聽(tīng)狀態(tài)，偵聽(tīng)是否有客戶(hù)要求建立連接。一旦接到連接請(qǐng)求，服務(wù)方可以根據(jù)情況建立或拒絕連接。當(dāng)客戶(hù)方的消息到達(dá)服務(wù)方端口時(shí)，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)一個(gè)事件（event），服務(wù)方只要接管該事件，就可以接受來(lái)自客戶(hù)方的消息了。

Socket類(lèi)型

·?流式Socket(STREAM)：是一種面向連接的Socekt，針對(duì)面向連接的TCP服務(wù)應(yīng)用，安全，但是效率低；

·?數(shù)據(jù)報(bào)式Socket(DATAGAM)：是一種無(wú)連接的Socket，對(duì)應(yīng)于無(wú)連接的UDP服務(wù)應(yīng)用。不安(丟失，順序混亂，在接受端要分析重排及要求重發(fā))，但效率高。

Socket一般應(yīng)用模式（服務(wù)端和客戶(hù)端）

Socket通信基本流程圖

編輯：黃飛