第19章 进程通信

1 管道

1.1 特点

• 生产者/消费者模型
• 半双工：双向，每次都能朝一个方向传输数据
• 管道作为一组VFS对象，可以使用VFS通用结构访问（比如读写）；管道被组织为pipefs这种特殊文件系统，在系统目录树没有安装点，用户看不到它们
• 管道创建后，返回一对文件描述符，分别用来读和写；然后通过fork()系统调用把这对描述符传给子进程，实现父子进程的管道通信
• 管道创建后，可以被任意进程使用，但是因为其半双工工作模式，如果有多个进程对其访问，必须加锁
• 管道创建的系统调用为pipe()，C函数库中，popen()和pclose()封装了管道相关的系统调用，更加方便

 

1.2 典型应用

ls | grep xxx

“|”可以创建管道；第一个子进程ls的标准输出被“|”重定向管道中；第二个子进程grep从管道读取数据作为输入，以替代标准输入，完成grep操作；grep的输出默认为标准输出。

 

1.3 管道数据结构

管道也是文件，可以通过VFS系统调用来访问管道，因此对于每个管道，应该有：一个索引节点对象 + 两个文件对象（读写）；

如果一个索引节点表示管道，其i_pipe成员指向struct pipe_inode_info结构：

• struct wait_queue *wait：管道/FIFO 等待队列，里面是等待读写的进程
• struct pipe_buffer[] bufs：管道缓冲区描述符数组，里面包含写入管道待读出的数据
• unsigned int curbuf：待读数据所在的缓冲区索引
• unsigned nrbufs：包含待读数据的缓冲区数量，curbuf + nrbufs得到首个可写缓冲区

 

1.4 从管道中读数据

从一个管道中读取n个字节（阻塞读）

管道大小p	有写进程	无写进程
p = 0	等待数据直到拷贝n个字节，返回n	返回0
0 < p < n	等待数据直到拷贝n个字节，返回n	拷贝p个字节并返回p，管道为空
p >= n	拷贝n个数据并返回n，管道还剩p-n个字节	拷贝n个数据并返回n，管道还剩p-n个字节

对于阻塞读，如果管道为空 && 没有写进程，会返回已经拷贝的字节数，不会等待；

对于非阻塞读，立刻拷贝并返回结果（拷贝的字节数），并不会关心有无写进程。

 

1.5 向管道中写数据

把n个字节写入管道（阻塞写）

可用缓冲区u	有读进程	无读进程
u <= n <= 4096	等待读，直到有n-u个字节被释放，才写入n个字节，返回n	发送SIGPIPE并返回-EPIPE
u >= n	写入n个字节，返回n	写入n个字节，返回n

如果管道缓冲区大小不足，且没有读进程，直接返回。

 

 

2 FIFO（命名管道）

1.2 特点

• 生产者/消费者模型
• 与管道不同的是：FIFO具有文件名且包含在系统目录树中；是一种全双工通信
• 因为存在文件名，所以可以被任意进程通过文件名访问

 

 

3 System V IPC

• Interprocess Communication，进程间通信
• IPC资源包括信号量、消息队列和共性内存，可以由任一进程访问
• 统一使用IPC数据结构，进程请求IPC资源时创建IPC数据结构

关于共享内存：

• 最高效的进程通信形式
• 允许多个进程共享内存
• 进程访问共享内存时，需要在自己的地址空间新增内存区，该内存区将与共享内存物理页框映射
• shmat()函数把一个共享内存区attach到进程上，返回内存区起始线性地址；shmat()不修改进程的页表
• 共享内存区缺省限制：最大数量4096，每个共享内存块最大32MB，所有共享内存区的最大字节数8GB —— 这些限制可以调整
• 每个IPC共享内存区属于shm特殊文件系统，在系统目录树没有安装点，因此用户不能通过VFS打开访问它的文件

 

 

4 POSIX消息队列

IPC属于内核提供给用户进程的进程间通信方法，其中包括消息队列；

POSIX消息队列属于基于POSIX标准接口的消息队列，基于消息队列实现，具有很多优点：

• 更简单的基于文件的应用接口
• 完全支持消息优先级
• 完全支持消息到达的异步通知
• 完善的超时机制

 

 

5 套接字

• server-client模型
• 适用于不同计算机通过网络交换数据