Linux下C语言编程--进程通信、消息管理

http://linuxc.51.net 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

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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 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 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 a"",
getpid(),strerror(errno));
if(del_semaphore(semid)==-1)
fprintf(stderr,""[%d]:Destroy Semaphore Error:%s a"",
getpid(),strerror(errno));
exit(1);
}

/* 创建一个进程链 */
for(i=0;i if(childpid=fork()) break;

sprintf(buffer,""[i=%d]-->[Process=%d]-->[Parent=%d]-->[Child=%d] "",
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 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 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 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:%sa "",strerror(errno));
exit(1);
}

if((msgid=msgget(key,PERM|IPC_CREAT|IPC_EXCL))==-1)
{
fprintf(stderr,""Creat Message Error:%sa "",strerror(errno));
exit(1);
}

while(1)
{
msgrcv(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),1,0);
fprintf(stderr,""Server Receive:%s "",msg.buffer);
msg.mtype=2;
msgsnd(msgid,&msg,sizeof(struct msgtype),0);
}
exit(0);
}


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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 a"",argv[0]);
exit(1);
}

if((key=ftok(MSG_FILE,''a''))==-1)
{
fprintf(stderr,""Creat Key Error:%sa "",strerror(errno));
exit(1);
}

if((msgid=msgget(key,PERM))==-1)
{
fprintf(stderr,""Creat Message Error:%sa "",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 "",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 a"",argv[0]);
exit(1);
}

if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,1024,PERM))==-1)
{
fprintf(stderr,""Create Share Memory Error:%s 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!