Linux IPC總結（全）

工程師WWW發表於2013-12-17
Linux

IPC程式間通訊(Inter-Process Communication)就是指多個程式之間相互通訊，交換資訊的方法。Linux IPC基本上都是從Unix平臺上繼承而來的。主要包括最初的Unix IPC，System V IPC以及基於Socket的IPC。另外，Linux也支援POSIX IPC。

一、System V, BSD, POSIX

    System V是Unix作業系統最早的商業發行版之一。它最初由AT&T(American Telephone & Telegraph)開發，最早在1983年釋出。System V主要發行了4個版本，其中SVR4(System V Release 4)是最成功的版本。BSD(Berkeley Software Distribution，有時也被稱為Berkeley Unix)是加州大學於1977至1995年間開發的。在19世紀八十年代至九十年代之間，System V和BSD代表了Unix的兩種主要的操作風格。它們的主要區別如下:

    系統                             System V           BSD
    root指令碼位置            /etc/init.d/       /etc/rc.d/
    預設shell                 Bshell             Cshell
    檔案系統資料            /etc/mnttab     /etc/mtab
    核心位置                  /UNIX             /vmUnix
    印表機裝置                lp                  rlp
    字串函式                memcopy       bcopy
    終端初始化設定檔案    /etc/initab       /etc/ttys
    終端控制                  termio            termios

    Linux系統的操作風格往往介於這兩種風格之間。

    POSIX(Portable Operating System Interface [for Unix])是由IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，電子電氣工程協會)開發的。現有的大部分Unix都遵循POSIX標準，而Linux從一開始就遵循POSIX標準。

二、最初的Unix IPC

1、訊號

    訊號是Unix/Linux系統在一定條件下生成的事件。訊號是一種非同步通訊機制，程式不需要執行任何操作來等待訊號的到達。訊號非同步通知接收訊號的程式發生了某個事件，然後作業系統將會中斷接收到訊號的程式的執行，轉而去執行相應的訊號處理程式。

    (1)註冊訊號處理函式
        #include <signal.h>
        /*typedef void (*sighandler_t)(int);  sighandler_t signal(int signum,sighandler_t handler);*/
         void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);  //SIG_IGN && SIG_DFL
        int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);

    (2)傳送訊號
        #include <signal.h>
        int kill(pid_t pid,int sig); //#include <sys/types.h> 
        int raise(int sig);            //kill(getpid(),sig);
        unsigned int alarm(unsigned int seconds); //(#include <unistd.h>) seconds秒後，向程式本身傳送SIGALRM訊號。

    (3)訊號集
        訊號集被定義為:typedef struct {unsigned long sig[_NSIG_WORDS];} sigset_t;
        int sigaddset(sigset_t *set,int sig);
        int sigemptyset(sigset_t *set);

2、管道(Pipe)

    管道用來連線不同程式之間的資料流。

    (1)在兩個程式之間傳遞資料的最簡單的方法是使用popen()和pclose()函式:
        #include <stdio.h>
        FILE *popen(const char *command, const char *open_mode);
        int pclose(FILE *stream);
    popen()函式首先呼叫一個shell，然後把command作為引數傳遞給shell。這樣每次呼叫popen()函式都需要啟動兩個程式；但是由於在Linux中，所有的引數擴充套件(parameter expansion)都是由shell執行的，這樣command中包含的所有引數擴充套件都可以在command程式啟動之前完成。

    (2)pipe()函式:
        #include <unistd.h>
        int pipe(int pipefd[2]);
    popen()函式只能返回一個管道描述符，並且返回的是檔案流(file stream)，可以使用函式fread()和fwrite()來訪問。pipe()函式可以返回兩個管道描述符:pipefd[0]和pipefd[1]，任何寫入pipefd[1]的資料都可以從pipefd[0]讀回；pipe()函式返回的是檔案描述符(file descriptor)，因此只能使用底層的read()和write()系統呼叫來訪問。pipe()函式通常用來實現父子程式之間的通訊。

    (3)命名管道:FIFO
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/stat.h>
        int mkfifo(const char *fifo_name, mode_t mode);
    前面兩種管道只能用在相關的程式之間，使用命名管道可以解決這個問題。在使用open()開啟FIFO時，mode中不能包含O_RDWR。mode最常用的是O_RDONLY，O_WRONLY與O_NONBLOCK的組合。O_NONBLOCK影響了read()和write()在FIFO上的執行方式。

    PS:要想檢視庫函式用法，最可靠的資料來自Linux manual page:

    $sudo apt-get install manpages-dev

    $man 3 function_name

 

三、System V IPC

    System V IPC指的是AT&T在System V.2發行版中引入的三種程式間通訊工具:(1)訊號量，用來管理對共享資源的訪問 (2)共享記憶體，用來高效地實現程式間的資料共享 (3)訊息佇列，用來實現程式間資料的傳遞。我們把這三種工具統稱為System V IPC的物件，每個物件都具有一個唯一的IPC識別符號(identifier)。要保證不同的程式能夠獲取同一個IPC物件，必須提供一個IPC鍵(IPC key)，核心負責把IPC鍵轉換成IPC識別符號。   

    System V IPC具有相似的語法，一般操作如下:

    (1)選擇IPC鍵，可以使用如下三種方式:

       a)IPC_PRIVATE。由核心負責選擇一個鍵然後生成一個IPC物件並把IPC識別符號直接傳遞給另一個程式。
       b)直接選擇一個鍵。
       c)使用ftok()函式生成一個鍵。

    (2)使用semget()/shmget()/msgget()函式根據IPC鍵key和一個標誌flag建立或訪問IPC物件。如果key是IPC_PRIVATE;或者key尚未與已經存在的IPC物件相關聯且flag中包含IPC_CREAT標誌，那麼就會建立一個全新的IPC物件。

    (3)使用semctl()/shmctl()/msgctl()函式修改IPC物件的屬性。

    (4)使用semctl()/shmctl()/msgctl()函式和IPC_RMID標誌銷燬IPC例項。

    System V IPC為每個IPC物件設定了一個ipc_perm結構體並在建立IPC物件的時候進行初始化。這個結構體中定義了IPC物件的訪問許可權和所有者:

    struct ipc_perm{
       uid_t uid;   //所有者的使用者id
       gid_t gid;   //所有者的組id
       uid_t cuid;  //建立者的使用者id
       gid_t cgid;  //建立者的組id
       mode_t mode; //訪問模式
       …
    };

    shell中管理IPC物件的命令是ipcs、ipcmk和ipcrm。

1、訊號量(Semaphores)

    System V的訊號量集表示的是一個或多個訊號量的集合。核心為每個訊號量集維護一個semid_ds資料結構，而訊號量集中的每個訊號量使用一個無名結構體表示，這個結構體至少包含以下成員:
    struct{
        unsigned short semval;//訊號量值，總是>=0
        pid_t sempid;  //上一次操作的pid
       …
    };

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/sem.h>
    (1)建立或訪問訊號量
        * int semget(key_t key,int nsems,int flag); 
    nsems指定訊號量集中訊號量的個數，如果只是獲取訊號量集的識別符號(而非新建)，那麼nsems可以為0。flag的低9位作為訊號量的訪問許可權位，類似於檔案的訪問許可權;如果flag中同時指定了IPC_CREAT和IPC_EXCL，那麼如果key已與現存IPC物件想關聯的話，函式將會返回EEXIST錯誤。例如，flag可以為IPC_CREAT|0666。

    (2)控制訊號量集
        * int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);
    對semid訊號量集合執行cmd操作;cmd常用的兩個值是:SETVAL初始化第semnum個訊號量的值為arg.val;IPC_RMID刪除訊號量。

    (3)對一個或多個訊號量進行操作
        * int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);
        * struct sembuf{
              unsigned short sem_num;  //訊號量索引
              short   sem_op;     //對訊號量進行的操作，常用的兩個值為-1和+1，分別代表P、V操作
              short   sem_flag;   //比較重要的值是SEM_UNDO:當程式結束時，相應的操作將被取消；同時，如果程式結束時沒有釋放資源的話，系統會自動釋放
           };

2、共享記憶體

    共享記憶體允許兩個或多個程式共享一定的儲存區，因為不需要拷貝資料，所以這是最快的一種IPC。

    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    (1)建立或訪問共享記憶體
        * int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);

    (2)附加共享記憶體到程式的地址空間
        * void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);//shmaddr通常為NULL，由系統選擇共享記憶體附加的地址;shmflg可以為SHM_RDONLY

    (3)從程式的地址空間分離共享記憶體
        * int shmdt(const void *shmaddr); //shmaddr是shmat()函式的返回值

    (4)控制共享記憶體
        * int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
        * struct shmid_ds{
              struct ipc_perm shm_perm;
              …
          }; 
    cmd的常用取值有:(a)IPC_STAT獲取當前共享記憶體的shmid_ds結構並儲存在buf中(2)IPC_SET使用buf中的值設定當前共享記憶體的shmid_ds結構(3)IPC_RMID刪除當前共享記憶體

3、訊息佇列

    訊息佇列儲存在核心中，是一個由訊息組成的連結串列。

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/msg.h>
    (1)建立或訪問訊息佇列
    * int msgget(key_t key,int msgflg);

    (2)操作訊息佇列
        * int msgsnd(int msqid,const void *msg,size_t nbytes,int msgflg);
    msg指向的結構體必須以一個long int成員開頭，作為msgrcv()的訊息型別，必須大於0。nbytes指的是msg指向結構體的大小，但不包括long int部分的大小
        * ssize_t msgrcv(int msqid,void *msg,size_t nbytes,long msgtype,int msgflg);
    如果msgtype是0，就返回訊息佇列中的第一個訊息;如果是正整數，就返回佇列中的第一個該型別的訊息;如果是負數，就返回佇列中具有最小值的第一個訊息，並且該最小值要小於等於msgtype的絕對值。

    (3)控制訊息佇列
        * int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);
        * struct msqid_ds{
              struct ipc_perm msg_perm;
              …
           };


Socket
　　套接字(Socket)是由Berkeley在BSD系統中引入的一種基於連線的IPC，是對網路介面(硬體)和網路協議(軟體)的抽象。它既解決了無名管道只能在相關程式間單向通訊的問題，又解決了網路上不同主機之間無法通訊的問題。

　　套接字有三個屬性:域(domain)、型別(type)和協議(protocol)，對應於不同的域，套接字還有一個地址(address)來作為它的名字。

　　域(domain)指定了套接字通訊所用到的協議族，最常用的域是AF_INET，代表網路套接字，底層協議是IP協議。對於網路套接字，由於伺服器端有可能會提供多種服務，客戶端需要使用IP埠號來指定特定的服務。AF_UNIX代表本地套接字，使用Unix/Linux檔案系統實現。

　　IP協議提供了兩種通訊手段:流(streams)和資料包(datagrams)，對應的套接字型別(type)分別為流式套接字和資料包套接字。流式套接字(SOCK_STREAM)用於提供面向連線、可靠的資料傳輸服務。該服務保證資料能夠實現無差錯、無重複傳送，並按順序接收。流式套接字使用TCP協議。資料包套接字(SOCK_DGRAM)提供了一種無連線的服務。該服務並不能保證資料傳輸的可靠性，資料有可能在傳輸過程中丟失或出現資料重複，且無法保證順序地接收到資料。資料包套接字使用UDP協議。

　　一種型別的套接字可能可以使用多於一種的協議來實現，套接字的協議(protocol)屬性用於指定一種特定的協議。

 

總結：

 

System V IPC API

1,訊息佇列

int ftok(const char *pathname, int prj_id);

int msgget(key_t key,int msgflag);

int msgsnd(int msqid,const void *msgp,size_t msgsz,int msgflg);

int msgrcv(int msqid,void *msgp,size_t msgsz,long msgtyp,int msgflg);

 

2,訊號量

int semget(key_t key,int nsems,int semflag);

int semctl(int semid,int semnum,int cmd,…);

int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops,struct timespec *timeout);

 

3,共享記憶體

int shmget(key_t key,size_t size,int shmflag);

int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);


POSIX IPC API

待補上


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