XSI机制的进程间通信

本文主要是介绍XSI机制的进程间通信，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

XSI机制的进程间通信

1、XSI介绍：

什么是XSI：

X/Open国际联盟有限公司是一个欧洲基金会，它的建立是为了向UNIX环境提供标准，XSI是X/Open System Interface的缩写，也就是X/Open设计的系统接口。

X/Open的主要的目标是促进对UNIX系统、接口、网络和应用的开放式系统协议的制定。它还促进在不同的UNIX环境之间的应用程序的互操作性，以及支持对电气电子工程师协会对UNIX的可移植操作系统接口规范。

IPC对象：

• 它用于进程间通信的XSI-IPC内核对象,类似于匿名管道、文件内核对象一样,通过使用XSI方式进行进程间通信时，系统会在内核中创建出一个XSI-IPC内核对象，让通信的进程能够共同访问该内核对象

• XSI-IPC对象只存在于内核空间，不会在文件系统中显示，该对象需要通过IPC键值来创建和获取

IPC键值：

• 用于创建\获取 IPC对象的凭证，是一个无符号的整数，相当于IPC对象的名字，类似于文件名

• 在创建IPC对象时，需要创建者提供一个IPC键值，有点类似给文件取名字，但是所有已经存在的IPC对象都在同一个作用域下，因此所有进程都可以访问到，所有有很大重名的风险，所以不建议创建者自己瞎想一个IPC键值去创建IPC对象，而应该使用操作系统提供的一个自动生成IPC键值的API

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
​
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
功能：根据项目路劲和项目编号 自动生成一个ipc键值
pathname：建议提供当前项目的路径
proj_id：项目编号
返回值：会根据项目路径和编号来计算出一个IPC键值，但是只是根据字符串内容来计算，不会检查路径是否为假
注意：使用时，建议提供当前的正确的工作路径，以及不同的项目编号，就可以获得不同的IPC键值，通过不同的IPC键值来创建不同的IPC对象
但是获取时，需要拿到相同的IPC对象，因此需要拿相同的IPC键值，因此提供相同路径和编号即可获取

IPC描述符：

• 类似于文件描述符，是一个非负整数，它是IPC内核对象的给用户空间来访问的凭证

显示IPC对象命令：

ipcs -m  #查看共享内存IPC对象   memory
ipcs -q  #查看消息队列IPC对象   queue
ipcs -s  #查看信号量IPC对象     sem
ipcs -a  #查看所有的IPC对象           

删除IPC对象命令：

ipcrm -m  id    #删除共享内存IPC对象
ipcrm -q  id    #删除消息队列IPC对象
ipcrm -s  id    #删除信号量IPC对象

2、共享内存：

基本原理：

• 在内核中开辟一块内存，可以让其它进程的虚拟地址与这块内存进行映射，从而达到让多个进程共享一块内存的目的，当一个进程向这块内存写数据时，其它进程就都可以读取到，这就达到了通信的目的

• 优点：这种通信方式不存在数据的复制，是最快的进程间通信方式

• 缺点：需要考虑同步访问的问题（用信号）

使用方式：

当一个进程向共享内存写入数据时，内核不会通知其他进程，进程从共享内存读取数据时，也无法分辨是否是通信的对方新写入的数据，为解决该问题，有以下方式：

• 读写：一个进程只负责写，另一个只负责读，这要负责读的进程使用的是最新即可，是一种单向通信

• 轮询：配合定时器或者闹钟，每隔一段时间就读取一次

• 中断：配合信号，进程只要往共享内存中写入数据，就给对方发送一个约定好的信号，其它进程如果已经读取完共享内存也可以发送一个约定好的信号

相关API：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
​
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：创建\获取一个共享内存的IPC对象
key：IPC键值，类似于文件名
size：共享内存的字节数，建议取内存页字节数的整数倍，默认1页=4096字节如果是想要创建，则必须指定size的大小如果是获取已有的共享内存，这size可取0即可
shmflg：0       -表示该参数无效，获取共享内存，size也无效了IPC_CREAT   -创建共享内存IPC_EXCL    -如果已经存在同一个IPC对象，返回失败mode        -共享内存的权限，当创建共享内存时必须加上例如：IPC_CREAT|0644
返回值：IPC描述符，失败-1
​
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
功能：加载共享内存（把进程中的虚拟地址与内核中的共享内存建立映射关系）
shmid：IPC描述符，要映射哪条共享内存
shmaddr：想要映射的虚拟地址，可以给NULL由操作系统自动分配
shmflg：0               - 以读写方式映射共享内存SHM_RDONLY      - 以只读方式映射共享内存
返回值：映射成功后的虚拟内存首地址，失败返回-1int shmdt(const void *shmaddr);
功能：取消虚拟内存与共享内存的映射，也叫卸载共享内存    
shmaddr：要取消映射的虚拟内存地址int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
功能：销毁共享内存、获取共享内存属性、设置共享内存的属性
shmid：IPC描述符
cmd：IPC_SET     -设置共享内存的属性  buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置IPC_STAT    -获取共享内存属性   buf输出型参数IPC_RMID    -删除共享内存 buf给NULL即可，-删除并非真正直接删除，而是对共享内存的使用计数-1，如果该计数被-1为0后，意味着系统中没有任何的进程映射这块共享内存，才会从内核中真正销毁它struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    //  属主和权限信息size_t          shm_segsz;   //  共享内存的大小time_t          shm_atime;   //  最后映射时间（加载）time_t          shm_dtime;   //  最后取消映射的时间（卸载）time_t          shm_ctime;   //  最后内存内容修改时间pid_t           shm_cpid;    //  创建者pidpid_t           shm_lpid;    //  最后加载、卸载者pidshmatt_t        shm_nattch;  //  当前映射的进程数的计数器...
};
​
struct ipc_perm {key_t          __key;    //  IPC键值uid_t          uid;      //  属主idgid_t          gid;      //  属主组iduid_t          cuid;     //  创建者idgid_t          cgid;     //  创建者组idunsigned short mode;     //  权限unsigned short __seq;    //  序列号
};
​

编程模型：

    进程A             进程B创建共享内存        获取共享内存映射共享内存        映射共享内存写数据并通知对方    接收到通知后读取数据接收到通知后读取数据 写数据并通知对方取消映射           取消映射删除共享内存

//  shmA.c
​
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
​
static int shmid;
static char* shm;
​
//  接收到对方发送信号 才读取数据
void sigread(int num)
{printf("\nread:%s\n",shm);if(0 == strncmp(shm,"quit",4)){   printf("对方不想鸟你了\n");
​//  取消映射if(shmdt(shm)){perror("shmdt");exit(EXIT_FAILURE);}
​//  删除共享内存if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)){perror("shmctl");exit(EXIT_FAILURE);}      //  必须结束进程 return没有用exit(EXIT_SUCCESS);}   
}
int main(int argc,const char* argv[])
{signal(SIGRTMIN,sigread);printf("我是进程%u\n",getpid());
​//  创建共享内存shmid = shmget(ftok(".",110),4096,IPC_CREAT|0644);if(0 > shmid){perror("shmget");return EXIT_FAILURE;}
​//  映射共享内存shm = shmat(shmid,NULL,0);if((void*)-1 == shm){perror("shmat");return EXIT_FAILURE;}
​//  获取对方的进程idpid_t pid = 0;printf("请输入与我通信的进程ID:");scanf("%u",&pid);
​//  写入数据并通知对方for(;;){printf(">>>");scanf("%s",shm);
​//  发送信号kill(pid,SIGRTMIN);if(0 == strncmp(shm,"quit",4)){printf("你终止通信了\n");break;}}
​//  取消映射if(shmdt(shm)){perror("shmdt");return EXIT_FAILURE;}//  删除共享内存if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)){perror("shmctl");return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}
​
​
​

3、消息队列：

基本原理：

• 由系统内核维护的一个链式队列，每个节点称为一条消息，每条消息由消息类型、数据、长度信息组成

• 和管道类似，可以双向通信，并且从中读取一个消息后，会自动出队，而且不是按照顺序读取，是按照消息类型读取

相关API：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
​
int msgget(key_t key, int msgflg);
功能：创建\获取消息队列
key:IPC键值
msgflg：0           -获取，不存在则失败IPC_CREAT   -创建，不存在则创建，存在会获取，除非IPC_EXCL    -排斥，已存在则创建失败mode        -消息队列权限，创建时必给
返回值：IPC描述符，失败-1int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
功能：向消息队列发送消息包
msqid：IPC描述符
msgp：提供一个包含有消息类型和消息内容的消息包内存块，参考格式如下：struct msgbuf {long mtype;       // 消息类型char mtext[1];    // 消息内容，也可以使用柔性数组};
msgsz：提供消息包中消息内容的字节数，不包含消息类型的字节数
msgflg：0       -如果当消息队列中没有空闲空间，该函数会一直阻塞IPC_NOWAIT  -当消息队列中没有空闲空间，不会阻塞，返回-1
返回值：成功0 失败-1
​
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
功能：从消息读取消息包
msqid：IPC描述符
msgp：接收消息包的结构体首地址，也是由消息类型+消息内容组成，输出型参数
msgsz：消息包的字节数，如果实际消息包的大小>msgsz，会立即返回-1
msgtyp：要接收的消息类型0   -获取消息队列中的第一条消息>0  -获取指定消息类型的消息<0  -获取消息队列中，消息类型小于或等于abs(msgtyp)的消息，如果有多个，则接收最小值的
msgflg:0           阻塞等待IPC_NOWAIT  如果消息队列中没有该消息类型的消息，直接返回MSG_EXCEPT  获取消息队列中第一个不等于msgtyp的消息，msgtyp>0MSG_NOERROR 如果包含它，则当消息包的大小>msgsz时，不会报错，并接收msgsz字节
返回值：成功接收到的消息的字节数
​
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
功能：销毁消息队列、获取消息队列属性、设置消息队列属性
shmid：IPC描述符
cmd：IPC_SET     -设置消息队列的属性  buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置IPC_STAT    -获取消息队列属性   buf输出型参数IPC_RMID    -删除消息队列 buf给NULL即可
​
struct msqid_ds {struct ipc_perm msg_perm;     // 与shmctl的一致time_t          msg_stime;    /* Time of last msgsnd(2) */time_t          msg_rtime;    /* Time of last msgrcv(2) */time_t          msg_ctime;    // 最后属性修改时间unsigned long   __msg_cbytes; // 消息队列中的字节数msgqnum_t       msg_qnum;     // 消息队列中的消息数msglen_t        msg_qbytes;   // 消息队列运行的最大字节数pid_t           msg_lspid;    /* PID of last msgsnd(2) */pid_t           msg_lrpid;    /* PID of last msgrcv(2) */
};
​

编程模型：

        进程A             进程B创建消息队列        获取消息队列发送消息(type:a)    接收消息(type:a)接收消息(type:b)    发送消息(type:b) 销毁消息队列      

4、信号量

基本原理：

• 所谓信号量就是内核中维护的一个全局变量，当做计数器，用于计数多进程工作中的共享资源数，也是为了限制多进程对共享资源的使用

• 信号量是一种数据操作锁，本身是不具备数据交换通信功能的，而是通过控制其他进程的通信资源来协助实现进程间通信

  • 假设操作系统中有n个共享资源，需要把信号量的值设置为n

  • 当有m个进程需要以独占的形式使用k个共享资源，并且m*k>n，需要使用信号量

  • 每个进程在使用共享资源之前先尝试执行信号量-1操作

  • 如果信号量>0时，说明剩余共享资源够用，则-1后拿到共享资源去执行，当执行完毕后，需要把共享资源归还，信号量+1操作

  • 如果信号量<=0时，说明共享资源不足，则进程阻塞等待，直到信号量的值>0,才重新唤醒后，继续尝试-1

• 注意：进程之间资源几乎都是相互独立的，共享资源很少，所以很少用到信号量

相关API：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
​
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
功能：创建或获取信号量集合
key：IPC键值
nsems：表示信号量集合中信号量的数量，一般写1即可
semflg：0           -获取，不存在则失败IPC_CREAT   -创建，不存在则创建，存在会获取，除非IPC_EXCL    -排斥，已存在则创建失败mode        -消息队列权限，创建时必给
返回值：IPC描述符，失败-1int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
功能：对信号量集中的信号量进行加减操作
semid:IPC描述符
sops：结构体数组首地址
struct sembuf{unsigned short sem_num;  // 信号量在信号集中的下标short          sem_op;   //  操作数//  如果sem_op大于0，则将其加到下标sem_num号信号量中，相当于资源释放//  如果sem_op小于0，则将其对下标sem_num号信号量中的值相减，相当于获取资源short          sem_flg;  // 操作标记位//  0 如果下标sem_num号信号量不够减，进程会阻塞等待，直到资源数够减为止//  IPC_NOWAIT  不阻塞等待};
nsops：表示sops结构体数组的指针中指向了多少个结构体，就是要操作的信号量的数量，一般写1
​
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
功能：删除信号量、获取信号量属性、设置信号量属性
semnum:表示对信号量集合中semnum下标的信号量进行操作
​
cmd：IPC_SET     -设置信号量的属性  buf输入型参数，只有uid、gid、mode可设置IPC_STAT    -获取信号量属性    buf输出型参数IPC_RMID    -删除信号量  buf给NULL即可GETALL      -获取信号量集合中所有信号量的值，放入semun.arraySETALL      -设置信号量集合中所有信号量的值，通过semun.array修改SETVAL      -设置信号量集合中某个信号量的值，通过semun.val修改GETVAL      -获取信号量集合中某个信号量的值，通过返回值获取
根据cmd的选择，使用第四个参数semun的值union semun {int              val;    /* Value for SETVAL */struct semid_ds *buf;    /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */unsigned short  *array;  /* Array for GETALL, SETALL */struct seminfo  *__buf;  /* Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) */};
​

这篇关于XSI机制的进程间通信的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

---