一.進程間通訊
1.1 什麼是進程間通信
我們運行起來的進程，相互之間資源是獨立的，不能在一個進程中直接訪問另一個進程的資源。
但是很多時候不同的進程需要進行信息的交互和狀態的傳遞等，譬如數據傳輸，一個進程需要將它的數據發送給另一個進程，或者多個進程間資源共享，或者一個進程需要控制另一個進程的執行，再或者，一個進程要給另一個進程發送消息等，就需要進程間通信( IPC：Inter Processes Communication )。
1.2 進程間通信的方式
進程間通信的方式有很多，文件、管道、信號、共享內存映射、消息隊列、套接字、命名管道等。這裏説管道pipe，命名管道fifo，共享內存映射。
二.管道PIPE
2.1 管道概述
管道是一種最基本的IPC機制，也稱匿名管道、無名管道，應用於有血緣關係的進程之間，完成數據傳遞。
所有的 UNIX 系統都支持這種通信機制。
管道的本質是一塊內核緩衝區，由兩個文件描述符引用，一個表示讀端，一個表示寫端。
管道是半雙工，規定數據從管道的寫端流入管道，從讀端流出，當兩個進程都終結的時候，管道也自動消失，管道的讀端和寫端默認都是阻塞的。
管道的數據一旦被讀走，便不在管道中存在，不可反覆讀取，數據只能在一個方向上流動，若要實現雙向流動，必須使用兩個管道。
只能在有血緣關係的進程間使用管道
創建管道非常簡單，調用pipe函數即可
2.2 pipe函數
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
功能：創建無名管道。
參數：
pipefd : 為 int 型數組的首地址，其存放了管道的文件描述符 pipefd[0]、pipefd[1]。
當一個管道建立時，它會創建兩個文件描述符 fd[0] 和 fd[1]。其中 fd[0] 固定用於讀管道，而 fd[1] 固定用於寫管道。一般文件 I/O的函數都可以用來操作管道(lseek() 除外)。
返回值：
成功：0
失敗：-1代碼示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
/* pipe函數演示 */
int main(){
int fd[2];
int ret = pipe(fd); //創建管道
if(ret<0){
//創建管道失敗
perror("pipe");
return -1;
}
pid_t pid = fork();
if(pid < 0){
// 創建進程失敗
perror("fork");
return -1;
}else if(pid > 0){
// 父進程
close(fd[0]);
// 父進程寫入fd[1]
write(fd[1],"hello",strlen("hello"));
wait(NULL);
}else {
// 子進程讀取
char buf[128];
memset(buf,0,sizeof(buf));
int n = read(fd[0],buf,sizeof(buf));
printf("%s\n",buf);
}
}2.3 管道的讀寫行為注意事項
這裏假定都是阻塞I/O操作，我們使用管道需要注意以下4種特殊情況：
1) 如果所有指向管道寫端的文件描述符都關閉了，而仍然有進程從管道的讀端讀數據，那麼管道中剩餘的數據都被讀取後，再次read會返回0，就像讀到文件末尾一樣。
2) 如果有指向管道寫端的文件描述符沒關閉，而持有管道寫端的進程也沒有向管道中寫數據，這時有進程從管道讀端讀數據，那麼管道中剩餘的數據都被讀取後，再次read會阻塞，直到管道中有數據可讀了才讀取數據並返回。
3) 如果所有指向管道讀端的文件描述符都關閉了，這時有進程向管道的寫端write，那麼該進程會收到信號SIGPIPE，通常會導致進程異常終止。當然也可以對SIGPIPE信號實施捕捉，不終止進程。具體方法信號章節詳細介紹。
4) 如果有指向管道讀端的文件描述符沒關閉，而持有管道讀端的進程也沒有從管道中讀數據，這時有進程向管道寫端寫數據，那麼在管道被寫滿時再次write會阻塞，直到管道中有空位置了才寫入數據並返回。
默認管道的讀寫兩端為阻塞的IO操作，但也可以設置為非阻塞，方法也很簡單，就是使用fcntl函數，設置O_NONBLOCK標誌標誌。
//獲取原來的flags
int flags = fcntl(fd[0], F_GETFL);
// 設置新的flags
flag |= O_NONBLOCK;
// flags = flags | O_NONBLOCK;
fcntl(fd[0], F_SETFL, flags);2.4 查看緩衝區
管道本質是一個內核緩衝區，那麼如何查看緩衝區大小呢？
1）ulimit -a
(base) zhaow@zhaow-610:~$ ulimit -a
core file size (blocks, -c) 0
data seg size (kbytes, -d) unlimited
scheduling priority (-e) 0
file size (blocks, -f) unlimited
pending signals (-i) 62944
max locked memory (kbytes, -l) 65536
max memory size (kbytes, -m) unlimited
open files (-n) 1024
pipe size (512 bytes, -p) 8 // 管道緩衝區大小
POSIX message queues (bytes, -q) 819200
real-time priority (-r) 0
stack size (kbytes, -s) 8192
cpu time (seconds, -t) unlimited
max user processes (-u) 62944
virtual memory (kbytes, -v) unlimited
file locks (-x) unlimited
2）fpathconf函數
#include <unistd.h>
long fpathconf(int fd, int name);
功能：該函數可以通過name參數查看不同的屬性值
參數：
fd：文件描述符
name：
_PC_PIPE_BUF，查看管道緩衝區大小
_PC_NAME_MAX，文件名字字節數的上限
返回值：
成功：根據name返回的值的意義也不同。
失敗： -1示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>
int main(){
int fd[2];
int ret = pipe(fd);
if(ret <0){
perror("pipe");
return -1;
}
printf("pipe read size==[%ld]\n", fpathconf(fd[0], _PC_PIPE_BUF));
printf("pipe write size==[%ld]\n", fpathconf(fd[1], _PC_PIPE_BUF));
return 0;
}三.命名管道（FIFO）
3.1 概述
管道(pipe)只能用於“有血緣關係”的進程間通信，為了彌補這個缺陷，提出了命名管道（FIFO），也叫有名管道、FIFO文件。
命名管道（FIFO）提供了一個路徑名與之關聯，以 FIFO 的文件形式存在於文件系統中，這樣即使與 FIFO 的創建進程不存在親緣關係的進程，只要可以訪問該路徑，就能夠彼此通過 FIFO 相互通信，因此，通過 FIFO 不相關的進程也能交換數據。
FIFO是Linux基礎文件類型中的一種（文件類型為p，可通過ls -l查看文件類型）。
FIFO文件在磁盤上沒有數據塊，僅僅用來標識內核中一條通道，進程打開這個文件進行read/write，實際上是在讀寫內核緩衝區。
3.2 創建fifo
1）命令mkfifo
(base) zhaow@zhaow-610:demo$ mkfifo myfifo
(base) zhaow@zhaow-610:demo$ ls -l
總用量 0
prw-rw-r-- 1 zhaow zhaow 0 8月 21 02:42 myfifo //文件類型 p
2）函數mkfifo
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
功能：
命名管道的創建。
參數：
pathname : 普通的路徑名，也就是創建後 FIFO 的名字。
mode : 文件的權限，與打開普通文件的 open() 函數中的 mode 參數相同。(0666)
返回值：
成功：0 狀態碼
失敗：如果文件已經存在，則會出錯且返回 -1。3.3 代碼示例
進程A 寫入
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
//創建fifo文件
// 1.檢查是否存在，不存在則創建
int ret = access("./myfifo", F_OK);
if(ret!=0)
{
ret = mkfifo("./myfifo", 0777);
if(ret<0)
{
perror("mkfifo error");
return -1;
}
}
//打開文件
int fd = open("./myfifo", O_RDWR);
if(fd<0)
{
perror("open error");
return -1;
}
//寫fifo文件
int i = 0;
char buf[64];
while(1)
{
memset(buf, 0x00, sizeof(buf));
sprintf(buf, "%d:%s", i, "hello world");
write(fd, buf, strlen(buf));
sleep(1);
i++;
}
close(fd);
return 0;
}進程B 讀取
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main(){
// 1.檢查要創建的fifo文件是否存在，若不存在則創建
int ret = access("./myfifo",F_OK);
if(ret != 0){
ret = mkfifo("./myfifo",0777);
if(ret < 0){
perror("mkfifo");
return -1;
}
}
// 打開fifo
int fd = open("./myfifo",O_RDWR);
if(fd<0){
perror("open");
return -1;
}
// 讀取
int n;
char buf[128];
while (1)
{
memset(buf,0x00,sizeof(buf));
n = read(fd,buf,sizeof(buf));
printf("buf=[%s]\n",buf);
}
close(fd);
return 0;
}四.共享存儲映射
4.1 概述
存儲映射I/O (Memory-mapped I/O) 就是使一個磁盤文件與存儲空間中的一個緩衝區相映射。
從緩衝區中取數據，就如同讀文件中的相應字節；同樣，將數據寫入緩衝區，則會將數據寫入文件。
4.2 存儲映射函數
1)mmap
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
1 用途:一個文件或者其它對象映射進內存)
2 參數説明：
addr : 指定映射的起始地址, 通常設為NULL, 由系統指定
length：映射到內存的文件長度
prot： 映射區的保護方式, 常用的三種
1) 讀：PROT_READ
2) 寫：PROT_WRITE
3) 讀寫：PROT_READ | PROT_WRITE
flags： 映射區的特性, 可以是
1) MAP_SHARED : 寫入映射區的數據會複製迴文件, 且允許其他映射該文件的進程共享。
2) MAP_PRIVATE : 對映射區的寫入操作會產生一個映射區的複製(copy - on - write), 對此區域所做的修改不會寫回原文件。
fd：由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。
offset：以文件開始處的偏移量, 必須是4k的整數倍, 通常為0, 表示從文件頭開始映射
返回值：
成功：返回創建的映射區首地址
失敗：MAP_FAILED宏
2)munmap
#include <sys/mman.h>
int munmap(void *addr, size_t length);
功能：
釋放內存映射區
參數：
addr：使用mmap函數創建的映射區的首地址
length：映射區的大小
返回值：
成功：0
失敗：-1代碼示例 父子進程間通信
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
int main(){
int fd = open("./ts.log",O_RDWR); //當映射文件大小為0時，不能創建映射區,所以，用於映射的文件必須要有實際大小;
if(fd < 0){
perror("open");
return -1;
}
int len = lseek(fd,0,SEEK_END);
void * addr = mmap(NULL,len,PROT_READ |PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
if(addr == MAP_FAILED){ // mmap創建映射區出錯概率非常高，一定要檢查返回值，確保映射區建立成功再進行後續操作
perror("mmap");
return -1;
}
close(fd); //映射區的釋放與文件關閉無關，只要映射建立成功，文件可以立即關閉。
pid_t pid = fork();
if(pid < 0){
perror("fork");
return -1;
}else if(pid > 0){
memcpy(addr,"hello",strlen("hello"));
wait(NULL);
}else{
char buf[64];
memset(buf,0x00,sizeof(buf));
memcpy(buf,addr,5);
printf("%s\n",buf);
}
return 0;
}4.3 匿名映射實現父子進程通信
使用映射區來完成文件讀寫操作十分方便，父子進程間通信也較容易，但比較麻煩的是，每次創建映射區一定要依賴一個文件才能實現，為了建立映射區要open一個temp文件，創建好了再unlink、close掉，很麻煩。
Linux系統提供了創建匿名映射區的方法，無需依賴一個文件即可創建映射區。同樣需要藉助標誌位參數flags來指定。
int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
參數説明：
4"隨意，該位置表示映射區大小，可依實際需要填寫。
MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON這兩個宏是Linux操作系統特有的宏。
代碼示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
int main(){
void * addr = mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,-1,0);
if(addr==MAP_FAILED)
{
perror("mmap");
return -1;
}
pid_t pid = fork();
if(pid < 0){
perror("fork");
return -1;
}else if(pid > 0){
memcpy(addr,"hello",strlen("hello"));
wait(NULL);
}else{
char buf[64];
memset(buf,0x00,strlen(buf));
memcpy(buf,addr,5);
printf("%s\n",buf);
}
return 0;
}