linux内核同步机制有哪些_Linux下的进程间通信-详解

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这里绝对不可能详细描述进程间的通信，也很难自信地说出自己在这部分内容中达到了什么样的理解，所以在本节的开头，我首先向大家推荐这位著名作者的名作：《在 UNIX》中，其中文译本《UNIX 》已经由机械工业出版社出版， 原文精彩，翻译同样地道，如果你确实对 Linux 下的编程有浓厚的兴趣，那就赶紧把这本书放在你的桌子上或电脑旁边。说了这么多，我心中的敬佩之情很难抑制，不过在这一节中，我们将介绍一些最基本、最简单的进程间沟通知识和概念。

首先，进程间通信至少可以通过发送打开的文件来实现，不同的进程通过一个或多个文件传递信息，这实际上在很多应用中都有用到。不过，一般来说，进程间通信（IPC：）并不包括这种看似低级的通信方式。在 Unix 中实现进程间通信的方法有很多，不幸的是，很少有方法可以在所有 Unix 系统之间移植（唯一的一种方法是半双工管道，这也是最原始的通信方式）。Linux 作为一种新兴的操作系统，几乎支持 Unix 中所有常见的进程间通信方式：管道、消息队列、共享内存、信号量、套接字等。让我们在下面逐一介绍它们。

2.3.1 管道

管道是最古老的进程间通信形式，它们包括无名管道（用于父进程和子进程之间的通信）和命名管道（用于在同一台计算机上运行的任意两个进程之间的通信）。

无名管道由 pipe（） 函数创建：

#

int pipe（int [2]）;

该参数返回两个文件描述符： [0] open for read 和 [1] open for write。[1] 的输出是 [0] 的输入。以下示例演示如何在父进程和子进程之间进行通信。

# 输入 0

# 1

无效 main（） {

int [2];

/* 定义子进程编号 */

pid_t pid;

char buf[256];

int ;

/*创建未命名管道*/

管道 （）;

/*创建子进程*/

if（（pid = fork（）） == -1） {

（“fork/n 中的错误”）;

退出 （1）;

/*执行子流程 */

if（pid == 0） {

（“在（子）.../n”）;

/*子进程将数据写入父进程并关闭管道的读取端

close（[输入]）;

write（[]， “测试数据”， （“测试数据”））;

退出 （0）;

} else {

/*执行父进程*/

（“在 （） .../n”）;

/*父进程从流水线读取子进程写入的数据，并关闭流水线的写入端

关闭（[]）;

= read（[输入]， buf， （buf））;

（“%d 字节的数据来自 %s/n”，

， buf）;

在 Linux 上，可以通过两种方式创建命名管道：命令行 mknod 系统调用和函数。以下两种方法都会在当前目录中生成命名管道：

方法 1： （“”，“rw”）;

方法 2：mknod p

生成命名流水线后，您可以使用常见的文件 I/O 函数（如 open、close、read、write 等）对其进行操作。下面是一个简单的示例，假设我们创建了一个命名管道。

/* 进程 1：读取命名管道 */

#

#

无效 main（） {

文件*;

int 计数 = 1;

char buf[80];

= fopen（“”， “r”）;

if （ == NULL） {

（“./n 中的错误”）;

退出 （1）;

while （（count = fread（buf， 1， 80， ）） > 0）

（“ 来自管道： %s/n”， buf）;

（）;

/* 进程 2：写入命名管道 */

#

#

无效 main（） {

文件*;

int 计数 = 1;

char buf[80];

= fopen（“”， “w”）;

if （ == NULL） {

（“错误管道。”）;

退出 （1）;

（buf，“这是命名管道 /n 的测试数据”）;

（buf， 1， 80， ）;

（）;

2.3.2 消息队列

消息队列用于运行在同一台机器上的进程间通信，它类似于流水线，流水线是用来在系统内核中存储消息的队列，以消息链表的形式出现。消息链表中节点的结构是用 msg 声明的。

其实它是一种逐渐过时的通信方式，我们可以用流管或者接口来代替，所以我们就不解释这个方法了，建议读者忽略它。

2.3.3 共享内存

共享内存是在同一台计算机上运行的进程之间通信的最快方式，因为不需要在不同进程之间复制数据。通常，一个进程会创建一个共享内存区域，其余进程会读取和写入内存区域。有两种方法可以获取共享内存：映射 /dev/mem 设备和内存映像文件。 前一种方法不会给系统带来额外的开销，但在现实中并不常用，因为它会控制实际访问的物理内存，这在 Linux 中只能通过限制 Linux 系统可以访问的内存来实现，这当然是不切实际的。一种常见的方法是通过函数系列使用共享内存进行存储。

使用的第一个函数是它获取共享存储标识符。

#

#

#

int （key_t 键、int 大小、int 标志）;

此函数类似于熟悉的函数，其中系统根据请求将大小内存分配为共享内存。Linux 内核中的每个 IPC 结构都有一个非负整数标识符，因此在向消息队列发送消息时只需要引用该标识符。 这个标识符是内核从 IPC 结构体的关键字中得到的，也就是上面第一个函数的 key。数据类型 key_t 在头文件 sys/types.h 中定义，它是一个长数据整数。我们将在后面的部分中再次遇到这个关键词。

当共享内存被创建时，其余进程可以调用 shmat（） 将其连接到它们自己的地址空间。

无效 *shmat（int shmid， void *addr， int flag）;

shmid 是函数返回的共享存储标识符，addr 和 flag 参数决定如何确定连接地址，函数的返回值是进程数据段的实际地址，进程可以对进程进行读写。

使用共享存储进行进程间通信的重点是同步数据访问，并确保当进程读取数据时，它想要的数据已经写入。通常，信号量用于同步对共享内存数据的访问，并且可以通过使用函数设置共享内存的某些标志（如 、 等）来实现。

2.3.4 信号量

信号量，又称信号量，用于协调不同进程之间的数据对象，主要应用是上一节中进程间通信的共享内存方式。从本质上讲，信号量是一个计数器，用于记录对资源（如共享内存）的访问。通常，为了获得共享资源，进程需要执行以下操作：

（1） 测试控制资源的信号量。

（2） 如果此信号量的值为正，则允许使用该资源。 该过程将信号量减去 1。

（3） 如果信号量为 0，则表示资源当前不可用，进程进入休眠状态，直到信号量值大于 0，进程被唤醒并转移到步骤 （1）。

（4） 当进程不再使用信号量控制的资源时，信号量值增加 1。如果进程此时处于等待此信号量的休眠状态，请唤醒该进程。

维护信号量状态的是 Linux 内核操作系统，而不是用户进程。我们可以在头文件 /usr/src/linux//linux/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各种结构的定义。 信号量是用户可以单独用于集合的每个元素的数据集合。要调用的第一个函数是获取信号量 ID。

SEM {

短 ;/* 最后一个的 PID */

;/*价值*/

;/* num procs in */

;/* 进程数 = 0 */

#

#

#

int （key_t 键， int nsems， int flag）;

key 是前面提到的 IPC 结构的关键字，flag 将决定将来是创建新的信号量集还是引用现有的信号量集。nsems 是该集中的信号量数量。如果要创建新集合（通常在服务器中），则必须指定 nsems;如果要引用现有的信号量集合（通常在客户端中），请将 nsems 指定为 0。

函数用于操作信号量。

int （int semid， int ， int cmd， union semun arg）;

通过 cmd 参数实现不同的操作，头文件 sem.h 中定义了 7 种不同的操作，可以作为实际编程的参考。

semop 函数会自动对信号量集合执行一组操作。

int semop（int semid， []， nops）;

是指向信号量操作数组的指针。NOPS 指定该数组中的操作数。

让我们看一个具体的例子，它为特定的 IPC 结构创建一个关键字和一个信号量，为这个信号量编制索引，修改索引指向的信号量的值，最后我们清除这个信号量。在下面的代码中，函数 ftok 生成了我们上面提到的唯一 IPC 关键字。

#

#

#

#

无效 main（） {

key_t ; /* 定义 IPC 关键字 */

int id;

;

Union Semun ;

int i;

/* 生成关键词，字符 'a' 是一个随机种子 */

/* 创建新的信号量集合 */

id = （， 1， | |0666);

（“ id=%d/n”， id）;

.val = 1; /*设置变量的值 */

（id， 0， ， ）;/* 设置索引 0 的信号量 */

/*打印出信号量的值*/

i = （id， 0， ， 0）;

（“索引 0 的值为 %d/n”， i）;

/*重置信号量*/

. = 0; /*设置哪个信号量*/

. = -1; /*定义操作*/

. = ; /*操作模式*/

if （semop（id， &， 1） == -1） {

（“无法锁定 ./n”）;

退出 （1）;

i = （id， 0， ， 0）;

（“索引 0 的值为 %d/n”， i）;

/*清除信号量*/

（id， 0， ， 0）;