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APUE 学习笔记(十) 高级I/O

2024-07-05 08:38:08   231人阅读

1. Unix IPC(InterProcess Communication)

同一主机的各个进程间的IPC：管道、FIFO、消息队列、信号量、共享存储器
不同主机上的各个进程间IPC：socket套接字
 
2. 管道
管道进行IPC有两个局限：
(1) 半双工，即数据只能在一个方向上流动
(2) 只能在具有公共祖先的进程之间使用。通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后 父子进程之间可以使用该管道
 
fstat函数对管道的每一端都返回一个FIFO类型的文件描述符，可以用S_ISFIFO宏来测试管道
 
通常是一个进程调用pipe函数创建管道，紧接着调用fork，这样就创建了从父进程到子进程的IPC通道
 
对于从父进程到子进程的管道，父进程关闭 管道的读端（fd[0]）子进程关闭管道的写端（fd[1]）
 
popen、pclose两个函数实现的操作是：创建一个管道，调用fork产生一个子进程，关闭管道的不使用端，执行一个shell以运行命令，最后等待命令终止
 
#include <stdio.h>

FILE* popen(const char* cmdstring, const char* type);
int   pclose(FILE* fp);

函数popen先执行fork，然后调用exec以执行cmdstring，并且返回一个标准I/O文件指针

 

  

type为“r”表示可读，为“w”表示可写
 
简单实现一个popen：
 1 #include <unistd.h>
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <errno.h>
 4 #include <sys/wait.h>
 5 #include <fcntl.h>
 6 
 7 /* pointer to array allocated at run-time */
 8 static pid_t* childpid = NULL;
 9 
10 /* from our open_max() */
11 static int maxfd;
12 
13 FILE* my_popen(const char* cmdstring, const char* type)
14 {
15     int pfd[2];
16     pid_t pid;
17 
18     /* only allow type = "r" or "w" */
19     if ((type[0] != ‘r‘ && type[0] != ‘w‘) || type[1] != 0) {
20         errno = EINVAL;
21         return NULL;
22     }
23        childpid = (pid_t*)calloc(maxfd, sizeof(pid_t));
24         if (childpid == NULL) {
25             return NULL;
26         }
27     }
28 
29     if (pipe(pfd) < 0) {
30         return NULL;
31     }
32 
33     if ((pid = fork()) < 0) {
34         return NULL;
35     } else if (pid == 0) {      /* child */
36         if (*type == ‘r‘) {
37             close(pfd[0]);
38             if (pfd[1] != STDOUT_FILENO) {
39                dup2(pfd[1], STDOUT_FILENO);
40                 close(pfd[1]);
41             }
42         } else {
43             close(pfd[1]);
44             if (pfd[0] != STDIN_FILENO) {
45                 dup2(pfd[0], STDIN_FILENO);
46                 close(pfd[0]);
47             }
48         }
49 
50         /* close all fds in childpid[] */
51         for (int i = 0; i < maxfd; ++i) {
52             if (childpid[i] > 0) {
53                 close(i);
54             }
55         }
56 
57     }
58 
59     /* parent continue */
60     FILE* fp;
61     if (*type == ‘r‘) {
62         close(pfd[1]);
63         if ((fp = fdopen(pfd[0], type)) == NULL) {
64             return NULL;
65         }
66     } else {
67         close(pfd[0]);
68         if ((fp = fdopen(pfd[1], type)) == NULL) {
69            return NULL;
70         close(pfd[0]);
71         if ((fp = fdopen(pfd[1], type)) == NULL) {
72             return NULL;
73         }
74     }
75 
76     childpid[fileno(fp)] = pid;
77     return fp;
78 }
 
3. 消息队列
消息队列是消息的链接表，存放在内核中并由消息队列ID标识
msgget用于创建一个新队列或打开一个现存的队列
msgsnd将新消息添加到队列尾端
msgrcv用户从队列中取消息
 
4. 信号量
信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据对象的访问
 
5. 共享存储器
共享存储器允许多个进程共享一个给定的存储区，因为数据不需要在客户进程和服务器进程之间复制，所以这是最快的IPC
使用共享存储区时必须确保 多个进程之间对给定的存储区的同步访问，通常，信号量被用来实现对共享存储区的同步访问
#include <sys/shm.h>
/* 获得共享存储标识符 */
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

/* 对共享存储区执行多种操作 */
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf);

/* 进程将共享存储区连接到它的地址空间中 */
void* shmat(int shmid, const void* addr, int flag);

如果addr为0，则此段连接到内核选择的第一个可用地址上。一般将addr指定为0，以便由内核选择地址

打印各种不同类型的数据所存放的位置：

 1 #include <unistd.h>
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <sys/shm.h>
 5 
 6 #define ARRAY_SIZE 40000
 7 #define MALLOC_SIZE 100000
 8 #define SHM_SIZE 100000
 9 #define SHM_MODE 0600  /* user read/write */
10 
11 char array[ARRAY_SIZE];   /* uninitialized data = http://www.mamicode.com/bss */
12 
13 int main(int argc, char* argv[])
14 {
15     int shmid;
16     char* ptr = NULL;
17     char* shmptr = NULL;
18 
19     fprintf(stdout, "array[] from %p to %p\n", array, array + ARRAY_SIZE);
20     fprintf(stdout, "stack around %p\n", &shmid);
21     ptr = (char*)malloc(MALLOC_SIZE);
22     if (ptr == NULL) {
23         fprintf(stderr, "malloc error\n");
24     }
25 
26     fprintf(stdout, "malloc from %p to %p\n", ptr, ptr + MALLOC_SIZE);
27 
28     shmid = shmget(IPC_PRIVATE, SHM_SIZE, SHM_MODE);
29     if (shmid < 0) {
30         fprintf(stderr, "shmget error\n");
31     }
32 
33     shmptr = shmat(shmid, 0, 0);
34     if (shmptr == (void*)-1) {
35         fprintf(stderr, "shmat error\n");
36     }
37 
38     fprintf(stdout, "shared memory from %p to %p\n", shmptr, shmptr + SHM_SIZE);
39     if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) < 0) {
40         fprintf(stderr, "shmctl error\n");
41     }
42     free(ptr);
43     return 0;
44 }

在基于Intel的Linux系统上运行此程序，其输出如下：

 

 

如果mmap函数指定了 MAP_SHARED标志，则此存储映射区可被多个进程共享
匿名存储映射：调用mmap时指定MAP_ANON标志，并将文件描述符指定为-1，结果得到的映射区域是匿名的，因为并不与一个文件描述符相关联


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