Linux进程间通信

zxg623

一个大型的应用系统，往往需要众多进程协作，进程（Linux进程概念见附1）间通信的重要性显而易见。本系列文章阐述了Linux环境下的几种主要进程间通信手段，并针对每个通信手段关键技术环节给出详细实例。为达到阐明问题的目的，本文还对某些通信手段的内部实现机制进行了分析。
序
linux下的进程通信手段基本上是从Unix平台上的进程通信手段继承而来的。而对Unix发展做出重大贡献的两大主力AT&T的贝尔实验室及BSD（加州大学伯克利分校的伯克利软件发布中心）在进程间通信方面的侧重点有所不同。前者对Unix早期的进程间通信手段进行了系统的改进和扩充，形成了“system V IPC”，通信进程局限在单个计算机内；后者则跳过了该限制，形成了基于套接口（socket）的进程间通信机制。Linux则把两者继承了下来，如图示：
其中，最初Unix IPC包括：管道、FIFO、信号；System V IPC包括：System V消息队列、System V信号灯、System V共享内存区；Posix IPC包括： Posix消息队列、Posix信号灯、Posix共享内存区。有两点需要简单说明一下：1）由于Unix版本的多样性，电子电气工程协会（IEEE）开发了一个独立的Unix标准，这个新的ANSI Unix标准被称为计算机环境的可移植性操作系统界面（PSOIX）。现有大部分Unix和流行版本都是遵循POSIX标准的，而Linux从一开始就遵循POSIX标准；2）BSD并不是没有涉足单机内的进程间通信（socket本身就可以用于单机内的进程间通信）。事实上，很多Unix版本的单机IPC留有BSD的痕迹，如4.4BSD支持的匿名内存映射、4.3+BSD对可靠信号语义的实现等等。
图一给出了linux 所支持的各种IPC手段，在本文接下来的讨论中，为了避免概念上的混淆，在尽可能少提及Unix的各个版本的情况下，所有问题的讨论最终都会归结到Linux环境下的进程间通信上来。并且，对于Linux所支持通信手段的不同实现版本（如对于共享内存来说，有Posix共享内存区以及System V共享内存区两个实现版本），将主要介绍Posix API。
linux下进程间通信的几种主要手段简介：
管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；
报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。
下面将对上述通信机制做具体阐述。
附1：参考文献[2]中对linux环境下的进程进行了概括说明：
一般来说，linux下的进程包含以下几个关键要素：
有一段可执行程序；
有专用的系统堆栈空间；
内核中有它的控制块（进程控制块），描述进程所占用的资源，这样，进程才能接受内核的调度；
具有独立的存储空间
进程和线程有时候并不完全区分，而往往根据上下文理解其含义。

参考资料
UNIX环境高级编程，作者：W.Richard Stevens，译者：尤晋元等，机械工业出版社。具有丰富的编程实例，以及关键函数伴随Unix的发展历程。
linux内核源代码情景分析（上、下），毛德操、胡希明著，浙江大学出版社，提供了对linux内核非常好的分析，同时，对一些关键概念的背景进行了详细的说明。
UNIX网络编程第二卷：进程间通信，作者：W.Richard Stevens，译者：杨继张，清华大学出版社。一本比较全面阐述Unix环境下进程间通信的书（没有信号和套接口，套接口在第一卷中）。









Linux环境进程间通信 ——无名管道工作机制研究
一、引言
      Linux作为一个开源的操作系统，是我们进行操作系统和提高编程水平的最佳途径之一。
     好的程序如同好的音乐一样，完成的完美、巧妙。开放源码的程序都是经过无数人检验地，本文将以linux-kernel-2.6.5为例对pipe的工作机制进行阐述。
二、进程间通信的分类
      大型程序大多会涉及到某种形式的进程间通信，一个较大型的应用程序设计成可以相互通信的“碎片”，从而就把一个任务分到多个进程中去。进程间通信的方法有三种方式：
      管道（pipe）
      套接字（socket）
      System v IPC 机制
管道机制在UNIX开发的早期就已经提供了，它在本机上的两个进程间的数据传递表现的相当出色；套接字是在BSD（Berkeley Software Development）中出现的，现在的应用也相当的广泛；而System V IPC机制Unix System V 版本中出现的。

三、工作机制
      管道分为pipe（无名管道）和FIFO（    命名管道），它们都是通过内核缓冲区按先进先出的方式数据传输，管道一端顺序地写入数据，另一端顺序地读入数据读写的位置都是自动增加，数据只读一次，之后就被释放。在缓冲区写满时，则由相应的规则控制读写进程进入等待队列，当空的缓冲区有写入数据或满的缓冲区有数据读出时，就唤醒等待队列中的写进程继续读写。
管道的读写规则：
      管道两端可分别用描述字fd[0]以及fd[1]来描述，需要注意的是，管道的两端是固定了任务的。即一端只能用于读，由描述字fd[0]表示，称其为管道读端；另一端则只能用于写，由描述字fd[1]来表示，称其为管道写端。如果试图从管道写端读取数据，或者向管道读端写入数据都将导致错误发生。一般文件的I/O函数都可以用于管道，如close、read、write等等。
四、pipe的数据结构
首先要定义一个文件系统类型：pipe_fs_type。
fs/pipe.c
static struct file_system_type pipe_fs_type = {
    .name        = "pipefs",
    .get_sb        = pipefs_get_sb,
    .kill_sb                    = kill_anon_super,
};
      变量pipe_fs_type其类型是 struct file_system_type 用于向系统注册文件系统。
      Pipe以类似文件的方式与进程交互，但在磁盘上无对应节点，因此效率较高。Pipe主要包括一个inode和两个file结构——分别用于读和写。Pipe的缓冲区首地址就存放在inode的i_pipe域指向pipe_inode_info结构中。但是要注意pipe的inode并没有磁盘上的映象，只在内存中交换数据。

static struct super_block *pipefs_get_sb(struct file_system_type *fs_type,
    int flags, const char *dev_name, void *data)
{
    return get_sb_pseudo(fs_type, "pipe:", NULL, PIPEFS_MAGIC);
}
上为超级的生成函数。
Include/linux/pipe.h
#ifndef _LINUX_PIPE_FS_I_H
#define _LINUX_PIPE_FS_I_H
#define PIPEFS_MAGIC 0x50495045
struct pipe_inode_info {
wait_queue_head_t wait;         1
char *base;                     2
unsigned int len;               3
    unsigned int start;             4
    unsigned int readers;           5
    unsigned int writers;           6
    unsigned int waiting_writers;   7
    unsigned int r_counter;         8
    unsigned int w_counter;         9
    struct fasync_struct *fasync_readers;   10
struct fasync_struct *fasync_writers;     11
};
2 管道等待队列指针wait
3 内核缓冲区基地址base
4 缓冲区当前数据量
6 管道的读者数据量
7 管道的写者数据量
8 等待队列的读者个数
9 等待队列的写者个数
11、12 主要对 FIFO
五、管道的创建:
通过pipe系统调用来创建管道。
int do_pipe(int *fd)
{
    struct qstr this;
    char name[32];
    struct dentry *dentry;
    struct inode * inode;
    struct file *f1, *f2;
    int error;
    int i,j;
    error = -ENFILE;
    f1 = get_empty_filp();           //分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道
    if (!f1)
        goto no_files;
    f2 = get_empty_filp();          //分配文件对象，得到文件对象指针用于读管道
    if (!f2)
        goto close_f1;
    inode = get_pipe_inode();    //调用get_pipe_inode获得管道类型的索引节点
    if (!inode)                              的指针inode。
        goto close_f12;         
    error = get_unused_fd();      //获得当前进程的两个文件描述符。在当前的
    if (error 进程的进程描述符file域中，有一个fd 域，
        goto close_f12_inode;    //指向该进程当前打开文件指针数组，数组
    i=error;                                           元素是指向文件对象的指针。
    error = get_unused_fd();
    if (error i_ino);       //生成对象目录dentry，
    this.name = name;                                  并通过它将上述两个文
    this.len = strlen(name);                           件对象将的指针与管道
    this.hash = inode->i_ino; /* will go */        索引节点连接起来。
    dentry = d_alloc(pipe_mnt->mnt_sb->s_root, &this);
    if (!dentry)
        goto close_f12_inode_i_j;
    dentry->d_op = &pipefs_dentry_operations;
    d_add(dentry, inode);
    f1->f_vfsmnt = f2->f_vfsmnt = mntget(mntget(pipe_mnt));
    f1->f_dentry = f2->f_dentry = dget(dentry);
    f1->f_mapping = f2->f_mapping = inode->i_mapping;
    /* read file */
    f1->f_pos = f2->f_pos = 0;                  //为用于读的两个文件对象设置属性值
    f1->f_flags = O_RDONLY;                       f_flage设置为只读，f_op设置为
    f1->f_op = &read_pipe_fops;                  read_pipe_fops 结构的地址。
    f1->f_mode = 1;
    f1->f_version = 0;
    /* write file */                                   //为用于写的两个文件对象设置属性值
    f2->f_flags = O_WRONLY;                     f_flage设置为只写，f_op设置为
                                                                          write_pipe_fops 结构的地址。
    f2->f_op = &write_pipe_fops;
    f2->f_mode = 2;
    f2->f_version = 0;
    fd_install(i, f1);
    fd_install(j, f2);
    fd[0] = i;                                        //将两个文件描述符放入参数fd数组返回
    fd[1] = j;
    return 0;
close_f12_inode_i_j:
    put_unused_fd(j);
close_f12_inode_i:
    put_unused_fd(i);
close_f12_inode:
    free_page((unsigned long) PIPE_BASE(*inode));
    kfree(inode->i_pipe);
    inode->i_pipe = NULL;
    iput(inode);
close_f12:
    put_filp(f2);
close_f1:
    put_filp(f1);
no_files:
    return error;   
}
六、管道的释放
      管道释放时f-op的release域在读管道和写管道中分别指向pipe_read_release()和pipe_write_release()。而这两个函数都调用release（），并决定是否释放pipe的内存页面或唤醒该管道等待队列的进程。
以下为管道释放的代码：
static int pipe_release(struct inode *inode, int decr, int decw)
{    down(PIPE_SEM(*inode));
    PIPE_READERS(*inode) -= decr;
    PIPE_WRITERS(*inode) -= decw;
    if (!PIPE_READERS(*inode) && !PIPE_WRITERS(*inode)) {
        struct pipe_inode_info *info = inode->i_pipe;
        inode->i_pipe = NULL;
        free_page((unsigned long) info->base);
        kfree(info);
    } else {        wake_up_interruptible(PIPE_WAIT(*inode));
        kill_fasync(PIPE_FASYNC_READERS(*inode), SIGIO, POLL_IN);
        kill_fasync(PIPE_FASYNC_WRITERS(*inode), SIGIO, POLL_OUT);    }
    up(PIPE_SEM(*inode));
    return 0;}
七、管道的读写
1．从管道中读取数据：
      如果管道的写端不存在，则认为已经读到了数据的末尾，读函数返回的读出字节数为0；
当管道的写端存在时，如果请求的字节数目大于PIPE_BUF，则返回管道中现有的数据字节数，如果请求的字节数目不大于PIPE_BUF，则返回管道中现有数据字节数（此时，管道中数据量小于请求的数据量）；或者返回请求的字节数（此时，管道中数据量不小于请求的数据量）。

2．向管道中写入数据：
      向管道中写入数据时，linux将不保证写入的原子性，管道缓冲区一有空闲区域，写进程就会试图向管道写入数据。如果读进程不读走管道缓冲区中的数据，那么写操作将一直阻塞。
八、管道的局限性
管道的主要局限性正体现在它的特点上：
l         只支持单向数据流；
l         只能用于具有亲缘关系的进程之间；
l         没有名字；
l         管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
l         管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等。

九、后记
写完本文之后，发现有部分不足之处。在由于管道读写的代码过于冗长，限于篇幅不一一列出。有不足和错误之处还请各位老师指正。通过一段时间对Linux的内核代码的学习，开源的程序往往并非由“权威人士”、“享誉海内外的专家”所编写，它们的由一个个普通的程序员写就。但专业造就专家，长时间集中在某个领域中能够创建出据程序员应该珍视的财富。


本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u2/66039/showart_528899.html