半双工管道、全双工管道、FIFO

UDS，管道

同一台主机的两个进程之间的 IPC，套接字和 STREAMS 是仅有的支持不同主机上两个进程之间 IPC 的两种形式

本章讨论经典的 IPC：管道、FIFO、消息队列、信号量 以及共享存储

管道

局限性：历史上半双工，数据单向；在公共祖先的两个进程间使用，通常父子进程使用

FIFO没有第二种限制，uds没有这两种限制

每当在管道中键入一个命令序列， 让 shell 执行时，shell 都会为每一条命令单独创建一个进程，然后用管道将前一条命令进程的标 准输出与后一条命令的标准输入相连接

管道是通过调用 pipe 函数创建的

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
fd[0]读 <- fd[1]写
fd[1]的输出是fd[0]的输入

单个进程中的管道几乎没有任何用处

管道连接着一个写端的进程，一个读端的进程；读一个写端的管道，写一个读端的管道

popen和pcloose

创建一个管道，fork 一个子进程，关闭未使用的管道端，执行一个 shell 运行命令，然后等待命令终止。

#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *cmdstring, const char *type);
int pclose(FILE *fp);

popen 的r模式： 子进程cmd的标准输出连接到父进程的文件指针

popen 的w模式：父进程的文件指针连接到子进程的cmd的标准输入

协同进程

当一个过滤程序既产生某个过滤程序的输入，又读取该过滤程序的输出时，它就变成了协同进程

两个pipe实现可以双工

FIFO

前面用的其实是未命名管道，只能两个相关进程使用，如父子进程，而FIFO是命名管道，不相关进程也能通信

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path,mode_t mode);
int mkfifoat(int fd,const char *path,mode_t mode);

mode与open的mode一样

mkfifoat 函数可以被用来在 fd 文件描述符表 示的目录相关的位置创建一个 FIFO

FIFO的用途：

1. shell 命令使用 FIFO 将数据从一条管道传送到另一条时，无需创建中间临时文件。
2. 客户进程-服务器进程应用程序中，FIFO 用作汇聚点，在客户进程和服务器进程二者之 间传递数据

XSI IPC

有 3 种称作 XSI IPC 的 IPC：消息队列，信号量，共享存储器

XSI IPC 函数是紧密地基于 System V 的 IPC 函数的

标识符和键

与文件描述符不同，IPC 标识符不是小的整数。当一个 IPC 结构被创建，然后又被 删除时，与这种结构相关的标识符连续加 1，直至达到一个整型数的最大正值，然后又回转到 0

有多种方法使客户进程和服务器进程在同一 IPC 结构上汇聚

1，2，3；1，2都有明显缺点，3是基于2，客服2的缺点

#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *path, int id);

客户进程和服务器进程认同一个路径名和项目 ID（项目 ID 是 0～255 之 接着，调用函数 ftok 将这两个值变换为一个键。

权限结构

struct ipc_perm{
    uid_t uid;
    gid_t gid;
    uid_t cuid;
    gid_t cgid;
    mode_t mode;
    ...
}

结构限制

优缺点

管道和FIFO在最后一个引用进程终止后，会删除数据，但是3中IPC不会

这些 IPC 结构在文件系统中没有名字，需要内核增加十几个全新的系统调用，如msgget，semget，shmget

消息队列

每个消息都由 3 部分组成：一个正的长整型类型的字段、一个非负的长度 （nbytes）以及实际数据字节数（对应于长度）。

消息总是放在队列尾端

消息队列是消息的链接表，存储在内核中，由消息队列标识符标识

msgget 用于创建一个新队列或打开一个现有队列

msgsnd 将新消息添加到队列尾端

msgrcv 用于从队列中取消息

#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key,int flag);
msgget((0x123 + 1), IPC_CREAT | 0666)
int msgctl(int msgid,int cmd,struct msgid_ds *buf);
每个队列都有一个msgid_ds
struct msgid_ds{
    struct ipc_perm msg_perm;
    msggnum_t msg_gnum;
    msglen_t msg_qbytes;
    pid_t msg_lspid;
    pid_t msg_lrpid;
    time_t msg_stime;
    time_t msg_rtime;
    time_t msg_ctime;
    ...
}

msgctl 函数对队列执行多种操作（类似的还有semctl，shmctl）

cmd:也可用于信号量和共享存储

IPC_STAT 取此队列的 msqid_ds 结构，并将它存放在 buf 指向的结构中

IPC_SET 将字段 msg_perm.uid、msg_perm.gid、msg_perm.mode 和 msg_qbytes从 buf 指向的结构复制到与这个队列相关的 msqid_ds 结构中

IPC_RMID 从系统中删除该消息队列以及仍在该队列中的所有数据。这种删除立即生效

#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msgid,const void *ptr,size_t nbytes,int flag);
ptr 就是一个指向 mymesg 结构的指针
struct mymesg{
    long mtype;
    char mtext[512];
}

对删除消息队列的处理不是很完善，没有维护引用计数器

ptr 参数指向一个长整型数，它包含了正的整型消息类型，其后紧接着的是消息数据（若 nbytes 是 0，则无消息数据）
参数 flag 的值可以指定为 IPC_NOWAIT。这类似于文件 I/O 的非阻塞 I/O 标志

当 msgsnd 返回成功时，消息队列相关的 msqid_ds 结构会随之更新，表明调用的进程 ID （msg_lspid）、调用的时间（msg_stime）以及队列中新增的消息（msg_qnum）

msgrcv 从队列中取用消息

#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag);

flag 中设置了 MSG_NOERROR 位，则该消息会被截断；flag 值指定为 IPC_NOWAIT，使操作不阻塞

参数 type 可以指定想要哪一种消息

msgrcv 成功执行时，内核会更新与该消息队列相关联的 msgid_ds 结构，以指示调用者的进程 ID（msg_lrpid）和调用时间（msg_rtime），并指示队列中的消息数减少了 1 个（msg_qnum）

消息队列与全双工管道的时间比较

客户进程和服务器进程之间的双向数据流:

可以使用消息队列或全双工管道

可以使全双工管道可用，而某些平台通过 pipe 函数提供全双工管道

考虑到使用消息队列时遇到的问题（见 15.6.4 节），我们得出的 结论是，在新的应用程序中不应当再使用它们

信号量

信号量与已经介绍过的 IPC 机构（管道、FIFO 以及消息列队）不同。它是一个计数器，用 于为多个进程提供对共享数据对象的访问。

若此信号量的值为正，则进程可以使用该资源。在这种情况下，进程会将信号量值减 1， 表示它使用了一个资源单位

否则，若此信号量的值为 0，则进程进入休眠状态，直至信号量值大于 0。进程被唤醒 后

当进程不再使用由一个信号量控制的共享资源时，该信号量值增 1。如果有进程正在休眠等 待此信号量，则唤醒它们

内核为每个信号量集合维护着一个 semid_ds 结构
struct semid_ds{
    struct ipc_perm sem_perm;
    unsigned short sem_nsems;
    time_t sem_otime;
    time_t sem_ctime;
    ...
}
每个信号量由一个无名结构表示
struct{
    unsigned short semval;
    pid_t ssempid;
    unsigned short semncnt;
    unsigned short semzcnt;
    ...
}

调用函数 semget 来获得一个信号量 ID

#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int flag);
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);

初始化 ipc_perm 结构。该结构中的 mode 成员被设置为 flag 中的 相应权限位

nsems 是该集合中的信号量数。如果是创建新集合（一般在服务器进程中），则必须指定 nsems。 如果是引用现有集合（一个客户进程），则将 nsems 指定为 0。

cmd：10种

函数 semop 自动执行信号量集合上的操作数组

#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

参数 semoparray 是一个指针，它指向一个由 sembuf 结构表示的信号量操作数组

参数 nops 规定该数组中操作的数量（元素数）。

struct sembuf{
    unsigned short sem_num;
    short sem_op;//对集合中每个成员的操作由相应的 sem_op 值规定
    short sem_flg;//IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}

sem_op 为正值，这对应于进程释放的占用的资源数，需要加到信号量的值上；如果指定了 undo 标志，则也从该进程的此信号量调整值中减去 sem_op

sem_op 为负值，信号量的值大于等于 sem_op 的绝对值，从信号量值中减去 sem_op 的绝对值；如果指定了 undo 标志，则 sem_op 的绝对值也 加到该进程的此信号量调整值上

正负两者操作其实是一个道理

sem_op 为 0，这表示调用进程希望等待到该信号量值变成 0

exit 时的信号量调整

正如前面提到的，如果在进程终止时，它占用了经由信号量分配的资源，那么就会成为一个 问题。

信号量、记录锁和互斥量的时间比较

共享存储

信号量用于同步共享存储访问

在多个进程将同一个文件映射到它们的地址空间 的时候。

XSI 共享存储和内存映射的文件的不同之处在于，前者没有相关的文件。

XSI 共享存储 段是内存的匿名段

内核为每个共享存储段维护着一个结构

struct shmid_ds{
    struct ipc_perm shm_perm;
    size_t shm_segsz;
    pid_t shm_lpid;
    pid_t shm_cpid;
    shmatt_t shm_nattch;
    time_t shm_atime;
    time_t shm_dtime;
    time_t shm_ctime;
    ...
}

调用的第一个函数通常是 shmget，它获得一个共享存储标识符

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

mode 按 flag 中的相应权限位 设置

shmctl 函数对共享存储段执行多种操作

#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

Cmd：5种命令

一旦创建了一个共享存储段，进程就可调用 shmat 将其连接到它的地址空间中

#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);
int shmdt(const void *addr);

如果 addr 为 0，则此段连接到由内核选择的第一个可用地址上。这是推荐的使用方式

flag 中指定了 SHM_RDONLY 位，则以只读方式连接此段，否则以读写方式连接此段

shmat 的返回值是该段所连接的实际地址，如果出错则返回−1；成功，内核将使与该共享存储段相关的 shmid_ds 结构中的 shm_nattch 计数器值加 1

共享存储段紧靠在 栈之下

POSIX信号量

POSIX 信号量接口意在解决 XSI 信号量接口的几个缺陷：

1. 更高性能的实现
2. 没有信号量集，更加简单
3. 操作能继续正常工作直到该信号量的最后一次引用被释放；XSI 信号量被删除时，使用这个 信号量标识符的操作会失败

POSIX 信号量有两种形式：命名的和未命名的

调用 sem_open 函数来创建一个新的命名信号量或者使用一个现有信号量

#include <semaphore.h>
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, ... /* mode_t mode,unsigned int value */ );
int sem_close(sem_t *sem);

当使用一个现有的命名信号量时，我们仅仅指定两个参数：信号量的名字和 oflag 参数的 0 值
当这个 oflag 参数有 O_CREAT 标志集时，如果命名信号量不存在，则创建一个新的。如果它 已经存在，则会被使用，但是不会有额外的初始化发生

当我们指定 O_CREAT 标志时，需要提供两个额外的参数。mode 参数指定谁可以访问信号量。 mode 的取值和打开文件的权限位相同

在创建信号量时，value 参数用来指定信号量的初始值。它的取值是 0～SEM_VALUE_MAX

如果我们想确保创建的是信号量，可以设置 oflag 参数为 O_CREAT|O_EXCL。如果信号量已 经存在，会导致 sem_open 失败

可以使用 sem_unlink 函数来销毁一个命名信号量

#include <semaphore.h>
int sem_unlink(const char *name);

sem_unlink 函数删除信号量的名字。如果没有打开的信号量引用，则该信号量会被销毁。 否则，销毁将延迟到最后一个打开的引用关闭

可以使用 sem_wait 或者 sem_trywait 函数来实现信号量的减 1 操作

#include <semaphore.h>
int sem_trywait(sem_t *sem);
int sem_wait(sem_t *sem);
int sem_timedwait(sem_t *restrict sem,const struct timespec *restrict tsptr);

使用 sem_wait 函数时，如果信号量计数是 0 就会发生阻塞。直到成功使信号量减 1 或者被 信号中断时才返回

可以调用 sem_post 函数使信号量值增 1

#include <semaphore.h>
int sem_post(sem_t *sem);

当我们想在单个进程中使用 POSIX 信号量时，使用未命名信号量更容易。这仅仅改变创建和 销毁信号量的方式。可以调用 sem_init 函数来创建一个未命名的信号量。

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);
int sem_getvalue(sem_t *restrict sem, int *restrict valp);

pshared 参数表明是否在多个进程中使用信号量。如果是，将其设置成一个非 0 值。value 参 数指定了信号量的初始值。

如果要在两个进程之间使用信号量，需要确保 sem 参数指向两个进程之间共享的内存范围

对未命名信号量的使用已经完成时，可以调用 sem_destroy 函数丢弃它

调用 sem_destroy 后，不能再使用任何带有 sem 的信号量函数，除非通过调用 sem_init 重新初始化它

sem_getvalue 函数可以用来检索信号量值

客户进程-服务器进程属性