Linux下C语言编程--进程通信、消息管理
Linux下C语言编程--进程通信、消息管理 |
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| 作者：hoyt |
| 前言:Linux下的进程通信(IPC) Linux下的进程通信(IPC) 1.POSIX无名信号量 2.System V信号量 3.System V消息队列 4.System V共享内存 -------------------------------------------------------------------------------- 1。POSIX无名信号量 如果你学习过操作系统,那么肯定熟悉PV操作了.PV操作是原子操作.也就是操作是不可以中断的,在一定的时间内,只能够有一个进程的代码在CPU上面执行.在系统当中,有时候为了顺利的使用和保护共享资源,大家提出了信号的概念. 假设我们要使用一台打印机,如果在同一时刻有两个进程在向打印机输出,那么最终的结果会是什么呢.为了处理这种情况,POSIX标准提出了有名信号量和无名信号量的概念,由于Linux只实现了无名信号量,我们在这里就只是介绍无名信号量了. 信号量的使用主要是用来保护共享资源,使的资源在一个时刻只有一个进程所拥有.为此我们可以使用一个信号灯.当信号灯的值为某个值的时候,就表明此时资源不可以使用.否则就表>示可以使用. 为了提供效率,系统提供了下面几个函数 POSIX的无名信号量的函数有以下几个: #include int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value); int sem_destroy(sem_t *sem); int sem_wait(sem_t *sem); int sem_trywait(sem_t *sem); int sem_post(sem_t *sem); int sem_getvalue(sem_t *sem); sem_init创建一个信号灯,并初始化其值为value.pshared决定了信号量能否在几个进程间共享.由于目前Linux还没有实现进程间共享信号灯,所以这个值只能够取0. sem_destroy是用来删除信号灯的.sem_wait调用将阻塞进程,直到信号灯的值大于0.这个函数返回的时候自动的将信号灯的值的件一.sem_post和sem_wait相反,是将信号灯的内容加一同时发出信号唤醒等待的进程..sem_trywait和sem_wait相同,不过不阻塞的,当信号灯的值为0的时候返回EAGAIN,表示以后重试.sem_getvalue得到信号灯的值. 由于Linux不支持,我们没有办法用源程序解释了. 这几个函数的使用相当简单的.比如我们有一个程序要向一个系统打印机打印两页.我们首先创建一个信号灯,并使其初始值为1,表示我们有一个资源可用.然后一个进程调用sem_wait由于这个时候信号灯的值为1,所以这个函数返回,打印机开始打印了,同时信号灯的值为0 了. 如果第二个进程要打印,调用sem_wait时候,由于信号灯的值为0,资源不可用,于是被阻塞了.当第一个进程打印完成以后,调用sem_post信号灯的值为1了,这个时候系统通知第二个进程,于是第二个进程的sem_wait返回.第二个进程开始打印了. 不过我们可以使用线程来解决这个问题的.我们会在后面解释什么是线程的.编译包含上面这几个函数的程序要加上 -lrt选贤,以连接librt.so库 2。System V信号量 为了解决上面哪个问题,我们也可以使用System V信号量.很幸运的是Linux实现了System V信号量.这样我们就可以用实例来解释了. System V信号量的函数主要有下面几个. #include #include #include key_t ftok(char *pathname,char proj); int semget(key_t key,int nsems,int semflg); int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg); int semop(int semid,struct sembuf *spos,int nspos); struct sembuf { short sem_num; /* 使用那一个信号 */ short sem_op; /* 进行什么操作 */ short sem_flg; /* 操作的标志 */ }; ftok函数是根据pathname和proj来创建一个关键字.semget创建一个信号量.成功时返回信号的ID,key是一个关键字,可以是用ftok创建的也可以是IPC_PRIVATE表明由系统选用一个关键字. nsems表明我们创建的信号个数.semflg是创建的权限标志,和我们创建一个文件的标志相同. semctl对信号量进行一系列的控制.semid是要操作的信号标志,semnum是信号的个数,cmd是操作的命令.经常用的两个值是:SETVAL(设置信号量的值)和IPC_RMID(删除信号灯).arg是一个给cmd的参数. semop是对信号进行操作的函数.semid是信号标志,spos是一个操作数组表明要进行什么操作,nspos表明数组的个数. 如果sem_op大于0,那么操作将sem_op加入到信号量的值中,并唤醒等待信号增加的进程. 如果为0,当信号量的值是0的时候,函数返回,否则阻塞直到信号量的值为0. 如果小于0,函数判断信号量的值加上这个负值.如果结果为0唤醒等待信号量为0的进程,如果小与0函数阻塞.如果大于0,那么从信号量里面减去这个值并返回. 下面我们一以一个实例来说明这几个函数的使用方法.这个程序用标准错误输出来代替我们用的打印机. #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define PERMS S_IRUSR|S_IWUSR void init_semaphore_struct(struct sembuf *sem,int semnum, int semop,int semflg) { /* 初始话信号灯结构 */ sem->sem_num=semnum; sem->sem_op=semop; sem->sem_flg=semflg; } int del_semaphore(int semid) { /* 信号灯并不随程序的结束而被删除,如果我们没删除的话(将1改为0) 可以用ipcs命令查看到信号灯,用ipcrm可以删除信号灯的 */ #if 1 return semctl(semid,0,IPC_RMID); #endif } int main(int argc,char **argv) { char buffer[MAX_CANON],*c; int i,n; int semid,semop_ret,status; pid_t childpid; struct sembuf semwait,semsignal; if((argc!=2)||((n=atoi(argv[1]))<1)) { fprintf(stderr,"Usage:%s number\n\a",argv[0]); exit(1); } /* 使用IPC_PRIVATE 表示由系统选择一个关键字来创建 */ /* 创建以后信号灯的初始值为0 */ if((semid=semget(IPC_PRIVATE,1,PERMS))==-1) { fprintf(stderr,"[%d]:Acess Semaphore Error:%s\n\a", getpid(),strerror(errno)); exit(1); } /* semwait是要求资源的操作(-1) */ init_semaphore_struct(&semwait,0,-1,0); /* semsignal是释放资源的操作(+1) */ init_semaphore_struct(&semsignal,0,1,0); /* 开始的时候有一个系统资源(一个标准错误输出) */ if(semop(semid,&semsignal,1)==-1) { fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a", getpid(),strerror(errno)); if(del_semaphore(semid)==-1) fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a", getpid(),strerror(errno)); exit(1); } /* 创建一个进程链 */ for(i=0;i sprintf(buffer,"[i=%d]-->[Process=%d]-->[Parent=%d]-->[Child=%d]\n", i,getpid(),getppid(),childpid); c=buffer; /* 这里要求资源,进入原子操作 */ while(((semop_ret=semop(semid,&semwait,1))==-1)&&(errno==EINTR)); if(semop_ret==-1) { fprintf(stderr,"[%d]:Decrement Semaphore Error:%s\n\a", getpid(),strerror(errno)); } else { while(*c!='')fputc(*c++,stderr); /* 原子操作完成,赶快释放资源 */ while(((semop_ret=semop(semid,&semsignal,1))==-1)&&(errno==EINTR)); if(semop_ret==-1) fprintf(stderr,"[%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a", getpid(),strerror(errno)); } /* 不能够在其他进程反问信号灯的时候,我们删除了信号灯 */ while((wait(&status)==-1)&&(errno==EINTR)); /* 信号灯只能够被删除一次的 */ if(i==1) if(del_semaphore(semid)==-1) fprintf(stderr,"[%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a", getpid(),strerror(errno)); exit(0); } 信号灯的主要用途是保护临界资源(在一个时刻只被一个进程所拥有). 3。SystemV消息队列 为了便于进程之间通信,我们可以使用管道通信 SystemV也提供了一些函数来实现进程的通信.这就是消息队列. #include #include #include int msgget(key_t key,int msgflg); int msgsnd(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz,int msgflg); int msgrcv(int msgid,struct msgbuf *msgp,int msgsz, long msgtype,int msgflg); int msgctl(Int msgid,int cmd,struct msqid_ds *buf); struct msgbuf { long msgtype; /* 消息类型 */ ....... /* 其他数据类型 */ } msgget函数和semget一样,返回一个消息队列的标志.msgctl和semctl是对消息进行控制. msgsnd和msgrcv函数是用来进行消息通讯的.msgid是接受或者发送的消息队列标志. msgp是接受或者发送的内容.msgsz是消息的大小. 结构msgbuf包含的内容是至少有一个为msgtype.其他的成分是用户定义的.对于发送函数msgflg指出缓冲区用完时候的操作.接受函数指出无消息时候的处理.一般为0. 接收函数msgtype指出接收消息时候的操作. 如果msgtype=0,接收消息队列的第一个消息.大于0接收队列中消息类型等于这个值的第一个消息.小于0接收消息队列中小于或者等于msgtype绝对值的所有消息中的最小一个消息. 我们以一个实例来解释进程通信.下面这个程序有server和client组成.先运行服务端后运行客户端. 服务端 server.c #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define MSG_FILE "server.c" #define BUFFER 255 #define PERM S_IRUSR|S_IWUSR struct msgtype { long mtype; char buffer[BUFFER+1]; }; int main() { struct msgtype msg; key_t key; int msgid; if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1) { fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\a\n",strerror(errno)); exit(1); } if((msgid=msgget(key,PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1) { fprintf(stderr,"Creat Message Error:%s\a\n",strerror(errno)); exit(1); } while(1) { msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),1,0); fprintf(stderr,"Server Receive:%s\n",msg.buffer); msg.mtype=2; msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0); } exit(0); } -------------------------------------------------------------------------------- 客户端(client.c) #include #include #include #include #include #include #include #include #define MSG_FILE "server.c" #define BUFFER 255 #define PERM S_IRUSR|S_IWUSR struct msgtype { long mtype; char buffer[BUFFER+1]; }; int main(int argc,char **argv) { struct msgtype msg; key_t key; int msgid; if(argc!=2) { fprintf(stderr,"Usage:%s string\n\a",argv[0]); exit(1); } if((key=ftok(MSG_FILE,'a'))==-1) { fprintf(stderr,"Creat Key Error:%s\a\n",strerror(errno)); exit(1); } if((msgid=msgget(key,PERM))==-1) { fprintf(stderr,"Creat Message Error:%s\a\n",strerror(errno)); exit(1); } msg.mtype=1; strncpy(msg.buffer,argv[1],BUFFER); msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0); memset(&msg,'',sizeof(struct msgtype)); msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),2,0); fprintf(stderr,"Client receive:%s\n",msg.buffer); exit(0); } 注意服务端创建的消息队列最后没有删除,我们要使用ipcrm命令来删除的. 4。SystemV共享内存 还有一个进程通信的方法是使用共享内存.SystemV提供了以下几个函数以实现共享内存. #include #include #include int shmget(key_t key,int size,int shmflg); void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg); int shmdt(const void *shmaddr); int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf); shmget和shmctl没有什么好解释的.size是共享内存的大小. shmat是用来连接共享内存的.shmdt是用来断开共享内存的.不要被共享内存词语吓倒,共享内存其实很容易实现和使用的.shmaddr,shmflg我们只要用0代替就可以了.在使用一个共享内存之前我们调用shmat得到共享内存的开始地址,使用结束以后我们使用shmdt断开这个内存. #include #include #include #include #include #include #include #include #define PERM S_IRUSR|S_IWUSR int main(int argc,char **argv) { int shmid; char *p_addr,*c_addr; if(argc!=2) { fprintf(stderr,"Usage:%s\n\a",argv[0]); exit(1); } if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM))==-1) { fprintf(stderr,"Create Share Memory Error:%s\n\a",strerror(errno)); exit(1); } if(fork()) { p_addr=shmat(shmid,0,0); memset(p_addr,'',1024); strncpy(p_addr,argv[1],1024); exit(0); } else { c_addr=shmat(shmid,0,0); printf("Client get %s",c_addr); exit(0); } } 这个程序是父进程将参数写入到共享内存,然后子进程把内容读出来.最后我们要使用ipcrm释放资源的.先用ipcs找出ID然后用ipcrm shm ID删除. 后记: 进程通信(IPC)是网络程序的基础,在很多的网络程序当中会大量的使用进程通信的概念和知识.其实进程通信是一件非常复杂的事情,我在这里只是简单的介绍了一下.如果你想学习进程通信的详细知识,最好的办法是自己不断的写程序和看联机手册.现在网络上有了很多的知识可以去参考.可惜我看到的很多都是英文编写的.如果你找到了有中文的版本请尽快告诉我.谢谢! |
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