【進程間通信】常用方式彙總

隨著我們的進程越來越多，難免不同進程之間要互相傳輸一些數據，那麼這個時候該怎麼辦呢？

下麵主要簡單瞭解一下，進程間通信（InterProcess Communication，IPC）的幾種實現方式！

1、管道模型

管道模型與軟體生命周期模型——瀑布模型（Waterfall Model）很相似。

所謂的瀑布模型，其實就是將整個軟體開發過程分成多個階段，往往是上一個階段完全做完，才將輸出結果交給下一個階段。

還記得咱們最初學 Linux 命令的時候，有下麵這樣一行命令：

ps -ef | grep 關鍵字 | awk '{print $2}' | xargs kill -9

這裡面的豎線“|”就是一個管道。它會將前一個命令的輸出，作為後一個命令的輸入。

從管道的這個名稱可以看出來，管道是一種單向傳輸數據的機制，它其實是一段緩存，裡面的數據只能從一端寫入，從另一端讀出。如果想互相通信，我們需要創建兩個管道才行。

管道又可以分為匿名管道和命名管道！

1.1 匿名管道

如上命令：

ps -ef | grep 關鍵字 | awk '{print $2}' | xargs kill -9

匿名管道：用"|” 表示的管道，意思就是這個類型的管道沒有名字，用完了就銷毀了。豎線代表的管道隨著命令的執行自動創建、自動銷毀。用戶甚至都不知道自己在用管道這種技術，就已經解決了問題。

1.2 命名管道

命名管道，這個類型的管道需要通過 mkfifo 命令顯式地創建。

mkfifo donge		#建立一個管道

donge就是這個管道的名稱。管道以文件的形式存在，這也符合 Linux 裡面一切皆文件的原則。

下麵我們看一下文件類型

ls -l
prw-rw-r-- 1 dong dong     0 Sep 28 17:09 donge

可以看到，這個文件的類型是 p，就是 pipe 的意思。

往管道中寫入數據

echo "hello world" > donge

這個時候，管道裡面的內容沒有被讀出，這個命令就是停在這裡的，即進程被堵塞。

這說明當一個項目組要把它的輸出交接給另一個項目組做輸入，當沒有交接完畢的時候，前一個項目組是不能撒手不管的。

重新打開一個終端，讀出管道數據

cat < hello 
hello world

一方面，我們能夠看到，管道裡面的內容被讀取出來，列印到了終端上；

另一方面，echo 那個命令正常退出了，也即交接完畢，前一個項目組就完成了使命，可以解散了。

管道通信，我們可以看出，瀑布模型的開發流程效率比較低下，因為團隊之間無法頻繁地溝通。而且，管道的使用模式，也不適合進程間頻繁的交換數據。

2、消息隊列

消息隊列可以理解為發郵件，每一封郵件都視為一個獨立的數據單元，也就是消息體，每個消息體都是固定大小的存儲塊，在位元組流上不連續。

這個消息結構的定義我寫在下麵了。這裡面的類型 type 和正文 text 沒有強制規定，只要消息的發送方和接收方約定好即可。

struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};

2.1 創建消息隊列

消息隊列的創建，需要用到msgget函數

int msgget(key_t key, int msgflg);

• key：該參數是消息隊列的唯一標識，由ftok生成。

• msgflg：取值有以下幾個選擇：IPC_CREAT、IPC_EXCL ，這兩個參數詳細的作用可以man msgflg看詳細介紹。

• 返回值：返回一個近乎唯一的Message queue id

那麼，key是如何由ftok生成的呢？

我們可以指定一個文件，調用ftok ，它會根據這個文件的 inode，生成一個近乎唯一的 key。

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• pathname：文件信息，必須指定在一個存在的，可訪問的文件
• proj_id：8bit的數據，0-255隨意設定

這樣就可以獲得一個近乎唯一的key了！

只要在這個消息隊列的生命周期內，這個文件不要被刪除就可以了。只要不刪除，無論什麼時刻，再調用 ftok，也會得到同樣的 key。

綜上，創建一個消息隊列只需兩步：

①：ftok生成一個key

②：msgget生成一個消息隊列的ID

如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
 
 
int main() {
  int messagequeueid;
  key_t key;
 
 
  if((key = ftok("/root/messagequeue/messagequeuekey", 1)) < 0)
  {
      perror("ftok error");
      exit(1);
  }
 
 
  printf("Message Queue key: %d.\n", key);
 
 
  if ((messagequeueid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
  {
      perror("msgget error");
      exit(1);
  }
 
 
  printf("Message queue id: %d.\n", messagequeueid);
}

ftok要指定一個存在的文件，所以我們在執行之前，需要創建該文件。

查看消息隊列

System V IPC 體系有一個統一的命令行工具：ipcmk，ipcs 和 ipcrm 用於創建、查看和刪除 IPC 對象。

查看創建的IPC對象：ipcs -q

dong@ubuntu:~//Interprocess_Communication$ ipcs 

------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0x01110005 0          dong       777        0            0           

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      

------ Semaphore Arrays --------
key        semid      owner      perms      nsems

2.2 發送消息

消息隊列發送消息，主要調用msgsnd 函數

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

• msqid：該參數是msgget所得到的message queue 的 id
• msgp：消息結構體

struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};

• msgsz：表示消息結構體中，mtext最大長度
• msgflg：一位掩碼，可取值有：IPC_NOWAIT、MSG_COPY、MSG_EXCEPT、MSG_NOERROR，取值說明可見man msgsnd

2.3 接收消息

消息隊列接收消息，主要調用msgrcv 函數

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,
                      int msgflg);

• msqid：該參數是msgget所得到的message queue 的 id
• msgp：消息結構體
• msgsz：可接收數據最大長度
• msgflg：一位掩碼，可取值有：IPC_NOWAIT、MSG_COPY、MSG_EXCEPT、MSG_NOERROR，取值說明可見man msgsnd

有了消息這種模型，兩個進程之間的通信就像咱們平時發郵件一樣，你來一封，我回一封，可以頻繁溝通了。

3、共用記憶體

怎麼理解共用記憶體呢？

我們知道每個進程都有自己獨立的虛擬記憶體空間，不同的進程的虛擬記憶體空間映射到不同的物理記憶體中去。這個進程訪問 A 地址和另一個進程訪問 A 地址，其實訪問的是不同的物理記憶體地址，對於數據的增刪查改互不影響。

但是，咱們是不是可以變通一下，拿出一塊虛擬地址空間來，映射到相同的物理記憶體中。這樣這個進程寫入的東西，另外一個進程馬上就能看到了，都不需要拷貝來拷貝去，傳來傳去。

相比於消息隊列，共用記憶體的優勢在哪裡呢？

• 大數據傳輸：如果批量的大數據進行傳輸，使用郵件的方式，來去發送不及時，並且大小也有限制
• 實時性：用共用記憶體，其可以大大節省通信時間

3.1 創建共用記憶體

我們可以創建一個共用記憶體，調用 shmget。

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

• key：和 msgget 裡面的 key 一樣，都是唯一定位一個共用記憶體的對象
• size：共用記憶體的大小
• shmflg：其值可以取：IPC_CREAT、IPC_EXCL、SHM_HUGETLB、SHM_HUGE_2MB等

返回值：共用記憶體的唯一ID

創建完畢之後，我們可以通過 ipcs 命令查看這個共用記憶體。

#ipcs --shmems
 
------ Shared Memory Segments ------ ­­­­­­­­
key        shmid    owner perms    bytes nattch status
0x00000000 19398656 marc  600    1048576 2      dest

3.2 訪問共用記憶體

接下來，如果一個進程想要訪問這一段共用記憶體，需要將這個記憶體載入到自己的虛擬地址空間的某個位置，通過 shmat 函數，就是 attach 的意思。

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

• shmid：標識一個共用記憶體段的唯一ID
• shmaddr：就是要指定 attach 到這個地方。但是這個地址的設定難度比較大，除非對於記憶體佈局非常熟悉，否則可能會 attach到一個非法地址。所以，通常的做法是將 shmaddr設為 NULL，讓內核選一個合適的地址。
• shmflg：一位掩碼，可取值：SHM_EXEC、SHM_RDONLY、SHM_REMAP。

返回值：為所連接的實際地址

3.3 關閉共用記憶體

如果共用記憶體使用完畢，可以通過 shmdt 解除綁定，然後通過 shmctl，將 cmd 設置為 IPC_RMID，從而刪除這個共用記憶體對象。

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

shmdt的參數addr：為shmat的返回值，表示卸載一片共用記憶體

shmctl的參數：

• shm_id：shmget的返回值，為共用記憶體的唯一ID
• cmd：取值有：IPC_STAT、IPC_RMID等，見：man shmctl
• buf：共用記憶體管理結構體。

3.4 信號量

這裡你是不是有一個疑問，如果兩個進程 attach 同一個共用記憶體，大家都往裡面寫東西，很有可能就衝突了。例如兩個進程都同時寫一個地址，那先寫的那個進程會發現內容被別人覆蓋了。

所以，這裡就需要一種保護機制，使得同一個共用的資源，同時只能被一個進程訪問。在 System V IPC 進程間通信機制體系中，早就想好了應對辦法，就是信號量（Semaphore）。因此，信號量和共用記憶體往往要配合使用。

信號量和共用記憶體都比較複雜，兩者還要結合起來用，就更加複雜，它們內核的機制就更加複雜。這一節我們先不講。

4、信號

上面講的進程間通信的方式，都是常規狀態下的工作模式，對應到咱們平時的工作交接，收發郵件、聯合開發等，其實還有一種異常情況下的工作模式。

例如出現線上系統故障，這個時候，什麼流程都來不及了，不可能發郵件，也來不及開會，所有的架構師、開發、運維都要被通知緊急出動。所以，7 乘 24 小時不間斷執行的系統都需要有告警系統，一旦出事情，就要通知到人，哪怕是半夜，也要電話叫起來，處理故障。

信號可以在任何時候發送給某一進程，進程需要為這個信號配置信號處理函數。

Linux所支持的異常信號如下：

 1) SIGHUP       2) SIGINT       3) SIGQUIT      4) SIGILL       5) SIGTRAP
 6) SIGABRT      7) SIGBUS       8) SIGFPE       9) SIGKILL     10) SIGUSR1
11) SIGSEGV     12) SIGUSR2     13) SIGPIPE     14) SIGALRM     15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT   17) SIGCHLD     18) SIGCONT     19) SIGSTOP     20) SIGTSTP
21) SIGTTIN     22) SIGTTOU     23) SIGURG      24) SIGXCPU     25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM   27) SIGPROF     28) SIGWINCH    29) SIGIO       30) SIGPWR
31) SIGSYS      34) SIGRTMIN    35) SIGRTMIN+1  36) SIGRTMIN+2  37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4  39) SIGRTMIN+5  40) SIGRTMIN+6  41) SIGRTMIN+7  42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9  44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9  56) SIGRTMAX-8  57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6  59) SIGRTMAX-5  60) SIGRTMAX-4  61) SIGRTMAX-3  62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1  64) SIGRTMAX

當某個信號發生的時候，就預設執行這個函數就可以了。這就相當於咱們運維一個系統應急手冊，當遇到什麼情況，做什麼事情，都事先準備好，出了事情照著做就可以了。

有點類似於異常中斷……

OK，這一篇，我們整體講解了一下進程間通信的幾種方式，現在我們來回顧一下：

• 類似瀑布開發模型的管道
• 類似郵件模式的消息隊列
• 類似會議室聯合開發的共用記憶體加信號量
• 類似應急預案的信號