Linux系統編程（七）進程間通信IPC

進程間通訊的7種方式_進程間通信的幾種方法-CSDN博客

管道 pipe（命名管道和匿名管道）；
信號 signal；
共享內存；
消息隊列；
信號量 semaphore；
套接字 socket；

1. 管道

內核提供，單工，自同步機制。?

1.1 匿名管道

磁盤上無法看到，只能有親緣關系的進程才能用匿名管道。一般用于父子進程間通信。

pipe(2) 系統調用可以創建一個匿名管道 pipefd，文件描述符 pipefd[0] 為讀管道，pipefd[1] 為寫管道。??

#include <unistd.h>int pipe(int pipefd[2]);#define _GNU_SOURCE             /* See feature_test_macros(7) */
#include <fcntl.h>              /* Obtain O_* constant definitions */
#include <unistd.h>int pipe2(int pipefd[2], int flags);

例子，父進程通過管道發送 hello 給子進程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main()
{pid_t pid;int pipefd[2];if (pipe(pipefd) < 0) {perror("pipe");exit(1);}pid = fork();if (pid > 0) {// parentclose(pipefd[0]);write(pipefd[1], "hello", 5);close(pipefd[1]);wait(NULL);exit(0);}else if (pid == 0) {// childclose(pipefd[1]);char buf[50];int len = read(pipefd[0], buf, 50);printf("%d\n", len);write(1, buf, len);close(pipefd[0]);exit(0);}else {perror("fork");exit(1);}exit(0);
}

1.2 命名管道

磁盤上能看到，文件類型為 p 的文件。

mkfifo(3) 函數可以創建一個 fifo 特殊文件（命名管道）。

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

2 XSI -> SysV

2.1?消息隊列，message queue?

主動端，先發包的一方；被動端，先收包的一方；消息隊列可以用于沒有親緣關系的進程間通信。

例子，proto.h，包含了傳遞的內容:

#ifndef PROTO_H__
#define PROTO_H__#define KEYPATH "/etc/services"
#define KEYPROJ 'g'#define NAMESIZE 32struct msg_st
{long mtype;char name[NAMESIZE];int math;int chinese;
};#endif

receiver.c，接收者：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "proto.h"
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>int main()
{key_t key;int msgid;struct msg_st rbuf;key = ftok(KEYPATH, KEYPROJ);if (key < 0) {perror("ftok");exit(1);}msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0600);if (msgid < 0) {perror("msgget");exit(1);}while (1){if (msgrcv(msgid, &rbuf, sizeof(rbuf) - sizeof(long), 0, 0) < 0){perror("msgrcv");exit(1);}printf("NAME = %s\n", rbuf.name);printf("MATH = %d\n", rbuf.math);printf("CHINESE = %d\n", rbuf.chinese);}msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);exit(0);
}

運行接收者可以看到創建的 msg queue：?

sender.c，發送者：?

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "proto.h"
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>int main()
{key_t key;struct msg_st sbuf;int msgid;key = ftok(KEYPATH, KEYPROJ);if (key < 0) {perror("ftock");exit(1);}msgid = msgget(key, 0);if (msgid < 0){perror("msgget");exit(1);}sbuf.mtype = 1;strcpy(sbuf.name, "lzp");sbuf.math = 99;sbuf.chinese = 100;if (msgsnd(msgid, &sbuf, sizeof(sbuf) - sizeof(long), 0) < 0) {perror("msgsend");exit(1);}puts("ok!");exit(0);
}

先運行 receiver，然后運行 sender 發送信息：?

2.2 信號量，semaphore arrays

semget、semop、semctl；可以用于沒有親緣關系的進程間通信。

2.3 共享內存，shared memory segment

shmget、shmop、shmctl；之前可以通過 mmap 實現共享內存，不過只能在有親緣關系的進程間通信。匿名 ipc 也只能在有親緣關系的進程間通信；

3. 網絡套接字 socket

3.1 跨主機的傳輸

字節序：大端存儲（低地址處放高字節）和小端存儲（低地址處放低字節，x86）；主機字節序（host）和網絡字節序（network）；主機序轉網絡序，網絡序轉主機序；htons，htonl，ntohs，ntohl。
對齊：結構體中 char 類型可能會占 4 個字節；如果不對齊，那么 int 類型的存儲地址可能就不是在 4 的倍數的地址上了，可能需要兩次訪存才能取出一個 int 類型。深入理解字節對齊-CSDN博客
類型長度問題：不同主機間的架構，機器字長可能不一樣，結構體類型大小也可能不一樣。解決方案（int32_t，int16_t ...）；

socket(2) 系統調用如下：?

#include <sys/types.h>    
#include <sys/socket.h>int socket(int domain, int type, int protocol);

domain 指定協議族；
- AF_INET ? ? ?IPv4 Internet protocols? ? ip(7)
- AF_INET6 ? ? IPv6 Internet protocols? ?ipv6(7)
type 指定通信語義；
- SOCK_STREAM（流式傳輸）：Provides sequenced, reliable, two-way, connection-based byte streams.
- SOCK_DGRAM（報式傳輸）? ：Supports datagrams (connectionless, unreliable messages of a fixed maximum length).
protocol 指定協議族中的協議；

bind(2) 系統調用可以給 socket 綁定地址。

#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

recvfrom(2) 可以從 socket 上接收一條 message：?

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);ssize_t recvfrom(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags,struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);

recv(2) 是用于流式套接字的，是提前建立好連接的，一對一的，點對點的，?不需要記錄對方的 socket 地址；
recvfrom(2) 可以用于報式和流式套接字，每次需要傳入需要通信的 socket 地址；

sendto(2) 函數可以發送 msg 到對應的 socket 地址，可以用于流式和報式傳輸；而?send(2) 函數不需要指定 socket 地址，只能用于事先建立好連接的流式傳輸。

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);ssize_t sendto(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags,const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);

3.2 報式套接字（udp）

被動端（先運行）：

取得 socket（socket）；
給 socket 取得地址，相當于綁定本地的地址（bind）；
收/發消息（recvfrom）；
關閉 socket（close）；

主動端：

取得 socket；
給 socket 取得地址（可省略）；
收/發消息；
關閉 socket；

__attribute__((packed))：packed屬性：使用該屬性可以使得變量或者結構體成員使用最小的對齊方式，即對變量是一字節對齊，對域（field）是位對齊。即不進行對齊。

使用如下指令查看被動段的地址和端口（u代表udp）：

netstat -anu

proto.h 約定傳輸格式和內容：?

#ifndef PROTO_H__
#define PROTO_H__#define RCVPORT 1989#define NAMESIZE  11// communication struct
struct msg_st
{char name[NAMESIZE];int math;int ch;
} __attribute__((packed));#endif

receiver.c 接收方，注意多字節需要使用?ntohl() 來轉換：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "proto.h"
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>#define IPSTRSIZE 40int main()
{int sd; // socket fdstruct sockaddr_in laddr;struct sockaddr_in raddr;struct msg_st rbuf;socklen_t raddr_len;char ipstr[IPSTRSIZE];// IPV4 DGRAM UDPsd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0/* IPPROTO_UDP */);if (sd < 0) {perror("socket");exit(1);}laddr.sin_family = AF_INET;laddr.sin_port = htons(RCVPORT);inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &laddr.sin_addr);if (bind(sd, (struct sockaddr *)&laddr, sizeof(laddr)) < 0) {perror("bindqqq");exit(1);}/* !!! */raddr_len = sizeof(raddr);while (1){recvfrom(sd, &rbuf, sizeof(rbuf), 0, (struct sockaddr *)&raddr, &raddr_len);inet_ntop(AF_INET, &raddr.sin_addr, ipstr, IPSTRSIZE);printf("message from %s:%d---\n", ipstr, ntohs(raddr.sin_port));printf("name = %s\n", rbuf.name);printf("name = %d\n", ntohl(rbuf.math));printf("name = %d\n", ntohl(rbuf.ch));}close(sd);exit(0);
}

sender.c 發送方，發送報文給對應的地址：?

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include "proto.h"
#include <unistd.h>int main(int argc, char *argv[])
{int sd;struct msg_st sbuf;struct sockaddr_in raddr;if (argc < 2){fprintf(stderr, "usage..\n");exit(1);}sd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sd < 0){perror("socket");exit(1);}//bind();strcpy(sbuf.name, "Alan");sbuf.math = htonl(99);sbuf.ch = htonl(93);raddr.sin_family = AF_INET;raddr.sin_port = htons(RCVPORT);inet_pton(AF_INET, argv[1], &raddr.sin_addr);if (sendto(sd, &sbuf, sizeof(sbuf), 0, (struct sockaddr *)&raddr, sizeof(raddr)) < 0){perror("sendto");exit(1);}puts("ok\n");close(sd);exit(0);
}

運行結果：?

報式套接字還能實現多播、廣播（全網廣播和子網廣播）、組播：

可以通過 getsockopt() 和 setsockopt() 來打開廣播選項。然后將發送的目標地址改成 255.255.255.255 就可以發送廣播了。

多點通信（廣播、多播、組播）只能用報式套接字實現，因為流式套接字是一對一的，點對點的。

udp 會出現丟包的問題，TTL生存周期（路由跳轉個數）?，丟包是由阻塞造成的，當等待隊列快滿的時候會發生丟包（網絡太擁塞），可以使用流量控制解決（限制發送端的速率）。

3.3 流式套接字（tcp）

協議，約定雙方對話的格式。

三次握手容易被ddos攻擊，可以去掉半連接池，然后使用cookie（對方的ip+端口加上我放的ip+端口加上一個內核產生的令牌）。

Client 端和 Server 端：

client：

獲取 socket；
給 socket 取得地址；
發送連接；
收/發消息；
關閉連接；

server：

獲取 socket；
給 socket 取得地址；
將 socket 置為監聽模式；
接受連接；
收/發消息；
關閉；

服務端（server.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <time.h>
#include "proto.h"#define IPSTRSIZE 40
#define BUFSIZE 1024static void server_job(int sd)
{char buf[BUFSIZE];int len = sprintf(buf, FMT_STAMP, (long long)time(NULL));if (send(sd, buf, len, 0) < 0) {perror("send()");exit(1);}
}int main()
{struct sockaddr_in laddr, raddr;socklen_t raddr_len;char ipstr[IPSTRSIZE];int sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0/* default IPPROTO_TCP */);if (sd < 0) {perror("socket()");exit(1);}laddr.sin_family = AF_INET;laddr.sin_port = htons(atoi(SERVERPORT));inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &laddr.sin_addr);if (bind(sd, (void *)&laddr, sizeof(laddr)) < 0) {perror("bind()");exit(1);}// listen for connections on a socketif (listen(sd, 200) < 0){perror("listen()");exit(1);}raddr_len = sizeof(raddr);while (1) {// accept a connection on a socketint newsd;if ((newsd = accept(sd, (void *)&raddr, &raddr_len)) < 0) {perror("accept()");exit(1);}inet_ntop(AF_INET, &raddr.sin_addr, ipstr, IPSTRSIZE);printf("Client: %s : %d\n", ipstr, ntohs(raddr.sin_port));server_job(newsd);// close newsdclose(newsd);}close(sd);exit(0);
}

運行后使用 netstat -ant 可以查看：

當連接被釋放后，服務端會進入一段時間的 timewait 狀態。

客戶端（client.c）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include "proto.h"
int main(int argc, char* argv[])
{struct sockaddr_in raddr;long long stamp;if (argc < 2) {fprintf(stderr, "Usage...\n");exit(1);}int sd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);if (sd < 0) {perror("socket()");exit(1);}// initiate a connection on a socketraddr.sin_family = AF_INET;raddr.sin_port = htons(atoi(SERVERPORT));inet_pton(AF_INET, argv[1], &raddr.sin_addr);if (connect(sd, (void *)&raddr, sizeof(raddr)) < 0) {perror("connect()");exit(1);}FILE* fp = fdopen(sd, "r+");if (fp == NULL) {perror("fdopen()");exit(1);}if (fscanf(fp, FMT_STAMP, &stamp) < 1) {fprintf(stderr, "bad format\n");}else {fprintf(stdout, "stamp = %lld\n", stamp);}fclose(fp);exit(0);
}

上面這種方法有一個缺點，就是假如 server_job 的任務執行時間太長的話，需要等待 server_job 執行完后才能繼續 accept 下一個連接請求，這樣效率十分低，所以可以采用多線程的方式來解決，每個進程或線程處理一個連接請求。