进程IPC概要

Unix进程间的数据共享

Unix进程间的数据共享有三种方式：

1. 左边的两个进程通过访问文件的方式共享数据，这通常需要某种形式的同步，一般用文件记录锁。

2. 中间的两个进程共享驻留于内核中的某些数据。 管道、FIFO、System V消息队列、System V信号量 属于这类型的数据共享方式； Posix消息队列、Posix信号量 在某些系统的实现也属于这种。

3. 右边的两个进程有一个双方都能访问的共享内存区，若该共享内存区被映射到了各自进程的地址空间，那么这两个进程将能不通过内核（系统调用）而实现交互。 共享该内存区的进程需要某种形式的同步，信号量是常用的选择。

IPC对象的持续性

IPC对象的持续性是指IPC对象存在的时长，有三种类型的持续性：

1. 随进程的持续性：此类IPC对象一直存在到该对象的最后一个进程关闭该对象为止。管道、FIFO 属此类

2. 随内核的持续性：此类IPC对象一直存在到内核重新自举或显示删除该对象为止。 System V消息队列、信号量、共享内存区 属此类； Posix消息队列、信号量、共享内存区 必须至少是随内核持续的， 但也可以是随文件系统持续的，具体取决于实现

3. 随文件系统的持续性：此类IPC对象一直存在到显示删除该对象为止。 Posix消息队列、信号量、共享内存区 如果是使用内存映射文件实现的，那么它就是随文件系统持续的

进程间数据交互方式汇总

名字空间

对于一种给定的IPC类型，其可能的名字的集合称为它的名字空间。 名字空间非常重要，因为对于除普通管道以外的所有形式的IPC来说， 名字是客户与服务端彼此连接以交换消息的手段。

• 管道

  • 名字：没有名字
  • 打开后的标识：描述符

• FIFO

  • 名字：路径名
  • 打开后的标识：描述符

• Posix消息队列

  • 名字：Posix IPC名字
  • 打开后的标识：mqd_t

• Posix有名信号量

  • 名字：Posix IPC名字
  • 打开后的标识：sem_t

• Posix基于内存的信号量

  • 名字：没有名字
  • 打开后的标识：sem_t

• Posix共享内存区

  • 名字：Posix IPC名字
  • 打开后的标识：描述符

• System V消息队列

  • 名字：key_t键
  • 打开后的标识：System V IPV标识符

• System V信号量

  • 名字：key_t键
  • 打开后的标识：System V IPV标识符

• System V共享内存区

  • 名字：key_t键
  • 打开后的标识：System V IPV标识符

• Posix互斥锁

  • 名字：没有名字
  • 打开后的标识：pthread_mutex_t指针

• Posix条件变量

  • 名字：没有名字
  • 打开后的标识：pthread_cond_t指针

• Posix读写锁

  • 名字：没有名字
  • 打开后的标识：pthread_rwlock_t指针

• fncl记录锁

  • 名字：路径名
  • 打开后的标识：描述符

Posix IPC

Posix消息队列、Posix信号量、Posix共享内存区 合称“Posix IPC”。

Posix IPC函数汇总

• Posix消息队列

  • 头文件：<mqueue.h>
  • IPC创建、销毁函数：mq_open/mq_close/mq_unlink
  • IPC控制函数：mq_getattr/mq_setattr
  • IPC操作函数：mq_receive/mq_send/mq_notify

• Posix信号量

  • 头文件：<semaphore.h>
  • IPC创建、销毁函数：sem_open/sem_close/sem_unlink/sem_init/sem_destroy
  • IPC控制函数：无
  • IPC操作函数：sem_wait/sem_trywait/sem_post/sem_getvalue

• Posix共享内存区

  • 头文件：<sys/mman.h>
  • IPC创建、销毁函数：shm_open/shm_unlink
  • IPC控制函数：ftruncate/fstat
  • IPC操作函数：mmap/munmap

Posix IPC名字

Posix.1规定的IPC名字规范：

1. 它必须符合已有的路径名规则（必须最多由PATH_MAX个字节组成，包括结尾的空字节）
2. 如果它以/开头，那么对IPC函数的不同调用将访问同一个队列。如果它不以/开头，那么效果取决于实现
3. 名字中额外的/的解释由实现定义

当我们指定一个只有/作为首字符的名字时， 在某些系统上(如Digital Unix)，我们必须在根目录下具有写权限才能创建IPC对象； 而当我们指定具有写权限的路径名时(例如：/tmp/que.123)，某些Unix(例如Solaris)则创建失败。

创建与打开IPC通道

mq_open、sem_open、shm_open这三个函数创建或打开一个IPC对象，它们的第二个参数指定怎样打开所请求的对象。 这与open函数的第二个参数类似。下面总结了各打开方式针对IPC对象打开函数的有效性：

• mq_open

  • 只读 O_RDONLY
  • 只写 O_WRONLY
  • 读写 O_RDWR
  • 若不存在则创建 O_CREAT
  • 排他性创建 O_EXCL
  • 非阻塞模式 O_NONBLOCK
  • 若已存在则截短 无效

• sem_open

  • 只读 无效
  • 只写 无效
  • 读写 无效
  • 若不存在则创建 O_CREAT
  • 排他性创建 O_EXCL
  • 非阻塞模式 无效
  • 若已存在则截短 无效

• shm_open

  • 只读 O_RDONLY
  • 只写 无效
  • 读写 O_RDWR
  • 若不存在则创建 O_CREAT
  • 排他性创建 O_EXCL
  • 非阻塞模式 无效
  • 若已存在则截短 O_TRUNC

System V IPC

System V消息队列、System V信号量、System V共享内存区 合称 System V IPC。

System V IPC函数汇总

• 消息队列

  • 头文件： <sys/msg.h>
  • IPC对象创建或打开函数： msgget
  • IPC控制函数： msgctl
  • IPC操作函数： msgsnd/msgrcv

• 信号量

  • 头文件： <sys/sem.h>
  • IPC对象创建或打开函数： semget
  • IPC控制函数： semctl
  • IPC操作函数： semop

• 共享内存区

  • 头文件： <sys/shm.h>
  • IPC对象创建或打开函数： shmget
  • IPC控制函数： shmctl
  • IPC操作函数： shmat/shmdt

key_t键和ftok函数

System V IPC使用key_t值作为它们的名字。 头文件<sys/types.h>把key_t这个数据类型定义为一个整数，它通常是一个至少32位的整数，这些整数值通常是由ftok函数赋予的。 函数ftok把一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成一个key_t值。

#include <sys/ipc.h>

// 成功则返回IPC键，出错则返回-1
key_t ftok(const char *pathname, int id);

ipc_perm结构

内核给每个IPC对象维护一个信息结构，其内容跟内核给文件维护的信息类似：

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */
struct ipc_perm
{
    __kernel_key_t  key;
    __kernel_uid_t  uid;
    __kernel_gid_t  gid;
    __kernel_uid_t  cuid;
    __kernel_gid_t  cgid;
    __kernel_mode_t mode;
    unsigned short  seq;
};