Linux作業系統 程式之間的通訊

宵雲科技發表於2019-12-10

 程式之間的通訊

預備知識:

1、使用者態和核心態,當一個程式在執行使用者自己的程式碼時處於使用者執行態(使用者態);當一個程式因為系統呼叫陷入核心程式碼中執行時處於核心執行態(核心態)。

技術圖片

2、程式之間的通訊(Inter Processs Communication- IPC)實現機制有:管道、訊息佇列、訊號值、訊號、共享記憶體、共享對映檔案、套接字等。

3、及時通訊:訊號(類似中斷);非及時通訊:共享記憶體、郵箱、管道、套接字、

4、常見的訊號:終止訊號、定時器訊號、使用者自定義訊號等

5、訊號: 使用者、系統或者程式傳送給 目標程式資訊,以通知目標程式某個 狀態的改變系統異常

6、 PCB(progress control block-程式控制塊),系統透過PCB,描述程式和控制程式。在Linux系統下,PCB是   task_struct結構體(程式描述符)
  1、 程式狀態:記錄程式是處於執行狀態還是等待狀態
  2、 排程資訊:程式由哪個函式排程,具體怎樣排程等
  3、程式之間的 通訊狀況
  4、程式之間的 親屬關係:在父程式和子程式之間有task_struct型別的指標,將父程式和子程式聯絡起來
  5、 時間資料資訊:每個程式執行所佔用CPU的時間
  6、 程式的標誌
  7、 程式的識別符號:該程式唯一的識別符號用來區別其他程式
  8、 訊號處理資訊
  9、 檔案資訊:可以進行讀寫操作的一些檔案的資訊
  10、 頁面管理資訊
  11、 優先順序:相對於其他程式的優先順序
  12、 ptrace系統呼叫
  13、 虛擬記憶體處理

struct task_struct {
    volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ void *stack;
    atomic_t usage;
    unsigned int flags; /* per process flags, defined below */ unsigned int ptrace;
    int lock_depth; /* BKL lock depth */ #ifdef CONFIG_SMP #ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW  int oncpu; #endif #endif  int prio, static_prio, normal_prio;
    unsigned int rt_priority;
    const struct sched_class *sched_class;
    struct sched_entity se;
    struct sched_rt_entity rt; #ifdef CONFIG_PREEMPT_NOTIFIERS /* list of struct preempt_notifier: */ struct hlist_head preempt_notifiers; #endif /*
     * fpu_counter contains the number of consecutive context switches * that the FPU is used. If this is over a threshold, the lazy fpu * saving becomes unlazy to save the trap. This is an unsigned char * so that after 256 times the counter wraps and the behavior turns * lazy again; this to deal with bursty apps that only use FPU for * a short time */ unsigned char fpu_counter; #ifdef CONFIG_BLK_DEV_IO_TRACE  unsigned int btrace_seq; #endif  unsigned int policy;
    cpumask_t cpus_allowed; #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU  int rcu_read_lock_nesting;
    char rcu_read_unlock_special;
    struct rcu_node *rcu_blocked_node;
    struct list_head rcu_node_entry; #endif /* #ifdef CONFIG_TREE_PREEMPT_RCU */ #if defined(CONFIG_SCHEDSTATS) || defined(CONFIG_TASK_DELAY_ACCT)  struct sched_info sched_info; #endif  struct list_head tasks;
    struct plist_node pushable_tasks;
    struct mm_struct *mm, *active_mm; /* task state */ int exit_state;
    int exit_code, exit_signal;
    int pdeath_signal; /*  The signal sent when the parent dies  */ unsigned int personality;
    unsigned did_exec:1;
    unsigned in_execve:1;   /* Tell the LSMs that the process is doing an * execve */ unsigned in_iowait:1; /* Revert to default priority/policy when forking */ unsigned sched_reset_on_fork:1;
    pid_t pid;
    pid_t tgid; #ifdef CONFIG_CC_STACKPROTECTOR /* Canary value for the -fstack-protector gcc feature */ unsigned long stack_canary; #endif /* 
     * pointers to (original) parent process, youngest child, younger sibling, * older sibling, respectively.  (p->father can be replaced with * p->real_parent->pid) */ struct task_struct *real_parent; /* real parent process */ struct task_struct *parent; /* recipient of SIGCHLD, wait4() reports */
    /*
     * children/sibling forms the list of my natural children */ struct list_head children; /* list of my children */ struct list_head sibling; /* linkage in my parent‘s children list */ struct task_struct *group_leader;   /* threadgroup leader */
    /*
     * ptraced is the list of tasks this task is using ptrace on. * This includes both natural children and PTRACE_ATTACH targets. * p->ptrace_entry is p‘s link on the p->parent->ptraced list. */ struct list_head ptraced;
    struct list_head ptrace_entry; /*
     * This is the tracer handle for the ptrace BTS extension. * This field actually belongs to the ptracer task. */ struct bts_context *bts; /* PID/PID hash table linkage. */ struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX];
    struct list_head thread_group;
    struct completion *vfork_done;      /* for vfork() */ int __user *set_child_tid;      /* CLONE_CHILD_SETTID */ int __user *clear_child_tid;        /* CLONE_CHILD_CLEARTID */ cputime_t utime, stime, utimescaled, stimescaled;
    cputime_t gtime;
    cputime_t prev_utime, prev_stime;
    unsigned long nvcsw, nivcsw; /* context switch counts */ struct timespec start_time; /* monotonic time */ struct timespec real_start_time; /* boot based time */
/* mm fault and swap info: this can arguably be seen as either mm-specific or thread-specific */ unsigned long min_flt, maj_flt;
    struct task_cputime cputime_expires;
    struct list_head cpu_timers[3]; /* process credentials */ const struct cred *real_cred;   /* objective and real subjective task * credentials (COW) */ const struct cred *cred;    /* effective (overridable) subjective task * credentials (COW) */ struct mutex cred_guard_mutex; /* guard against foreign influences on * credential calculations * (notably. ptrace) */ struct cred *replacement_session_keyring; /* for KEYCTL_SESSION_TO_PARENT */ char comm[TASK_COMM_LEN]; /* executable name excluding path - access with [gs]et_task_comm (which lock
                       it with task_lock()) - initialized normally by flush_old_exec */
/* file system info */ int link_count, total_link_count; #ifdef CONFIG_SYSVIPC /* ipc stuff */ struct sysv_sem sysvsem; #endif #ifdef CONFIG_DETECT_HUNG_TASK /* hung task detection */ unsigned long last_switch_count; #endif /* CPU-specific state of this task */ struct thread_struct thread; /* filesystem information */ struct fs_struct *fs; /* open file information */ struct files_struct *files; /* namespaces */ struct nsproxy *nsproxy; /* signal handlers */ struct signal_struct *signal;
    struct sighand_struct *sighand;
    sigset_t blocked, real_blocked;
    sigset_t saved_sigmask; /* restored if set_restore_sigmask() was used */ struct sigpending pending;
    unsigned long sas_ss_sp;
    size_t sas_ss_size;
    int (*notifier)(void *priv);
    void *notifier_data;
    sigset_t *notifier_mask;
    struct audit_context *audit_context; #ifdef CONFIG_AUDITSYSCALL  uid_t loginuid;
    unsigned int sessionid; #endif  seccomp_t seccomp; /* Thread group tracking */ u32 parent_exec_id;
    u32 self_exec_id; /* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty, keyrings, mems_allowed, * mempolicy */ spinlock_t alloc_lock; #ifdef CONFIG_GENERIC_HARDIRQS /* IRQ handler threads */ struct irqaction *irqaction; #endif /* Protection of the PI data structures: */ spinlock_t pi_lock; #ifdef CONFIG_RT_MUTEXES /* PI waiters blocked on a rt_mutex held by this task */ struct plist_head pi_waiters; /* Deadlock detection and priority inheritance handling */ struct rt_mutex_waiter *pi_blocked_on; #endif #ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES /* mutex deadlock detection */ struct mutex_waiter *blocked_on; #endif #ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGS  unsigned int irq_events;
    int hardirqs_enabled;
    unsigned long hardirq_enable_ip;
    unsigned int hardirq_enable_event;
    unsigned long hardirq_disable_ip;
    unsigned int hardirq_disable_event;
    int softirqs_enabled;
    unsigned long softirq_disable_ip;
    unsigned int softirq_disable_event;
    unsigned long softirq_enable_ip;
    unsigned int softirq_enable_event;
    int hardirq_context;
    int softirq_context; #endif #ifdef CONFIG_LOCKDEP # define MAX_LOCK_DEPTH 48UL  u64 curr_chain_key;
    int lockdep_depth;
    unsigned int lockdep_recursion;
    struct held_lock held_locks[MAX_LOCK_DEPTH];
    gfp_t lockdep_reclaim_gfp; #endif /* journalling filesystem info */ void *journal_info; /* stacked block device info */ struct bio *bio_list, **bio_tail; /* VM state */ struct reclaim_state *reclaim_state;
    struct backing_dev_info *backing_dev_info;
    struct io_context *io_context;
    unsigned long ptrace_message;
    siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use.  */ struct task_io_accounting ioac; #if defined(CONFIG_TASK_XACCT) u64 acct_rss_mem1;  /* accumulated rss usage */ u64 acct_vm_mem1; /* accumulated virtual memory usage */ cputime_t acct_timexpd; /* stime + utime since last update */ #endif #ifdef CONFIG_CPUSETS nodemask_t mems_allowed;    /* Protected by alloc_lock */ int cpuset_mem_spread_rotor; #endif #ifdef CONFIG_CGROUPS /* Control Group info protected by css_set_lock */ struct css_set *cgroups; /* cg_list protected by css_set_lock and tsk->alloc_lock */ struct list_head cg_list; #endif #ifdef CONFIG_FUTEX struct robust_list_head __user *robust_list; #ifdef CONFIG_COMPAT struct compat_robust_list_head __user *compat_robust_list; #endif  struct list_head pi_state_list;
    struct futex_pi_state *pi_state_cache; #endif #ifdef CONFIG_PERF_EVENTS struct perf_event_context *perf_event_ctxp;
    struct mutex perf_event_mutex;
    struct list_head perf_event_list; #endif #ifdef CONFIG_NUMA struct mempolicy *mempolicy;    /* Protected by alloc_lock */ short il_next; #endif atomic_t fs_excl;   /* holding fs exclusive resources */ struct rcu_head rcu; /*
     * cache last used pipe for splice */ struct pipe_inode_info *splice_pipe; #ifdef  CONFIG_TASK_DELAY_ACCT struct task_delay_info *delays; #endif #ifdef CONFIG_FAULT_INJECTION  int make_it_fail; #endif  struct prop_local_single dirties; #ifdef CONFIG_LATENCYTOP  int latency_record_count;
    struct latency_record latency_record[LT_SAVECOUNT]; #endif /*
     * time slack values; these are used to round up poll() and * select() etc timeout values. These are in nanoseconds. */ unsigned long timer_slack_ns;
    unsigned long default_timer_slack_ns;
    struct list_head *scm_work_list; #ifdef CONFIG_FUNCTION_GRAPH_TRACER /* Index of current stored adress in ret_stack */ int curr_ret_stack; /* Stack of return addresses for return function tracing */ struct ftrace_ret_stack *ret_stack; /* time stamp for last schedule */ unsigned long long ftrace_timestamp; /*
     * Number of functions that haven‘t been traced * because of depth overrun. */ atomic_t trace_overrun; /* Pause for the tracing */ atomic_t tracing_graph_pause; #endif #ifdef CONFIG_TRACING /* state flags for use by tracers */ unsigned long trace; /* bitmask of trace recursion */ unsigned long trace_recursion; #endif /* CONFIG_TRACING */  unsigned long stack_start;
};

 

程式通訊機制的原理:

1、訊號操作相關的資料結構:

一、sigaction

struct sigction{

  void(*sa_handler)(int); # sa_handler是訊號的處理函式對應的指標

  sigset_t sa_mask; # sa_mask是訊號掩碼,表示該處理哪些訊號,哪些訊號暫時不用處理

  int sa_flags;

  void(*sa_restorer)(void);

};

二、 時間相關的資料結構timeval;itimeval(記錄定時器的資料)

2、訊號操作相關的函式

  1、不同的訊號(sig)有編號(signum),在標頭檔案裡面每個訊號有預設的處理方式(action)。訊號操作的函式主要是向程式傳送訊號,程式接收到訊號之後,可以執行標頭檔案中規定的宏中設定的處理的方式,也可以指定該訊號執行新設定的處理的方式。

  2、程式會受到多個訊號,訊號處理的優先順序,暫時沒處理的訊號如何儲存(使用哪個資料結構儲存----訊號集),後面如何呼叫訊號處理函式響應程式中多個訊號。每個訊號集都有透過指標(*set)定位。

1、sigaction、查詢或設定指定訊號處理方式,return原來訊號的處理方式

2、signal、設定指定訊號的處理方式,透過handle(函式指標),呼叫函式作為訊號的處理方式

3、kill、給程式(pid)傳送訊號(sig)

4、raise、給自身傳送訊號(sig)

5、sigemptyset、訊號集初始化(清空訊號集);sigfillset、初始化並加入所有的訊號;sigaddset、將制定的訊號加入訊號集中;sigismenber、透過*set定位,查詢signum是否在指定的訊號集。

3、 定時器操作相關函式,涉及設定定時器如選擇定時器型別(定時器計時消耗的時間以哪一個為準:真實時間,使用者態,使用者態和核心態選擇不同計時器)和定時器的功能函式

1、sleep、將程式暫停執行指定時間(seconds),可以被其他優先順序更高的訊號或中斷打斷

2、alarm、在指定間隔時間之後週期性給程式傳送訊號 SIGALRM。

3、setitimer、設定定時器

4、getitimer、獲取指定型別的定時器,透過*value指標呼叫指定型別定時器

 

注:定時器定時需要重複對 timeval;itimeval兩個結構體進行操作。

1、UNIX時間戳(Epoch Time):Unix時間戳(英文為Unix time, POSIX time 或 Unix timestamp)是從 Epoch(1970年1月1日00:00:00 UTC)開始所經過的秒數,不考慮閏秒。 timeval記錄就是Epoch Time至今的時間間隔,進度到毫秒。

2、 itimeval 結構體記錄的是定時器剩餘時間



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