linux System V IPC总结
原文1：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/原文2：http://blog.csdn.net/dxdxsmy/article/details/6653189深刻理解Linux进程间通信（IPC）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
原文1：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/
深刻理解Linux进程间通信（IPC）
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1、Linux IPC,System IPC , Unix IPC
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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。
System V,BSD,POSIX
System V是Unix操作系统最早的商业发行版之一。它最初由AT&T(American Telephone & Telegraph)开发，最早在1983年发布。System V主要发行了4个版本，其中SVR4(System V Release 4)是最成功的版本。BSD(Berkeley Software Distribution，有时也被称为Berkeley Unix)是加州大学于1977至1995年间开发的。在19世纪八十年代至九十年代之间，System V和BSD代表了Unix的两种主要的操作风格。它们的主要区别如下:
系统 System V BSD
root脚本位置 /etc/init.d/ /etc/rc.d/
默认shell Bshell Cshell
文件系统数据 /etc/mnttab /etc/mtab
内核位置 /UNIX /vmUnix
打印机设备 lp rlp
字符串函数 memcopy bcopy
终端初始化设置文件 /etc/initab /etc/ttys
终端控制 termio termios
Linux系统的操作风格往往介于这两种风格之间。
POSIX(Portable Operating System Interface [for Unix])是由IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，电子电气工程协会)开发的。现有的大部分Unix都遵循POSIX标准，而Linux从一开始就遵循POSIX标准。
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2、最初的Unix IPC
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1、信号
信号是Unix/Linux系统在一定条件下生成的事件。信号是一种异步通信机制，进程不需要执行任何操作来等待信号的到达。信号异步通知接收信号的进程发生了某个事件，然后操作系统将会中断接收到信号的进程的执行，转而去执行相应的信号处理程序。
(1)注册信号处理函数
#include <signal.h>
/*typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum,sighandler_t handler);*/
* void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int); //SIG_IGN && SIG_DFL
* int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);
(2)发送信号
#include <signal.h>
* int kill(pid_t pid,int sig); //#include <sys/types.h>
* int raise(int sig); //kill(getpid(),sig);
* unsigned int alarm(unsigned int seconds); //(#include <unistd.h>) seconds秒后，向进程本身发送SIGALRM信号。
(3)信号集
信号集被定义为:
typedef struct {unsigned long sig[_NSIG_WORDS];} sigset_t;
* int sigaddset(sigset_t *set,int sig);
* int sigemptyset(sigset_t *set);
2、管道(Pipe)
管道用来连接不同进程之间的数据流。
(1)在两个程序之间传递数据的最简单的方法是使用popen()和pclose()函数:
#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *command, const char *open_mode);
int pclose(FILE *stream);
(2)pipe()函数:
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
(3)命名管道:FIFO
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *fifo_name, mode_t mode);
PS:要想查看库函数用法，最可靠的资料来自Linux manual page:
$sudo apt-get install manpages-dev
$man 3 function name
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3、System V IPC
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System V IPC指的是AT&T在System V.2发行版中引入的三种进程间通信工具:
(1)信号量，用来管理对共享资源的访问
(2)共享内存，用来高效地实现进程间的数据共享
(3)消息队列，用来实现进程间数据的传递。
我们把这三种工具统称为System V IPC的对象，每个对象都具有一个唯一的IPC标识符(identifier)。要保证不同的进程能够获取同一个IPC对象，
必须提供一个IPC关键字(IPC key)，内核负责把IPC关键字转换成IPC标识符。
3.1 System V IPC具有相似的语法：
(1) 选择IPC关键字，可以使用如下三种方式:
a)IPC_PRIVATE。由内核负责选择一个关键字然后生成一个IPC对象并把IPC标识符直接传递给另一个进程。
b)直接选择一个关键字。
c)使用ftok()函数生成一个关键字。
(2) 使用semget()/shmget()/msgget()函数根据IPC关键字key和一个标志flag创建或访问IPC对象。如果key是IPC_PRIVATE;
或者key尚未与已经存在的IPC对象相关联且flag中包含IPC_CREAT标志，那么就会创建一个全新的IPC对象。
(3) 使用semctl()/shmctl()/msgctl()函数修改IPC对象的属性。
(4) 使用semctl()/shmctl()/msgctl()函数和IPC_RMID标志销毁IPC实例。
System V IPC为每个IPC对象设置了一个ipc_perm结构体并在创建IPC对象的时候进行初始化。这个结构体中定义了IPC对象的访问权限和所有者:
struct ipc_perm{
uid_t uid; //所有者的用户id
gid_t gid; //所有者的组id
uid_t cuid; //创建者的用户id
gid_t cgid; //创建者的组id
mode_t mode; //访问模式
…
};
shell中管理IPC对象的命令是ipcs、ipcmk和ipcrm。
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3.1 System V IPC 具体通信机制
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System V的信号量集表示的是一个或多个信号量的集合。内核为每个信号量集维护一个semid_ds数据结构，而信号量集中的每个信号量使用一个无名结构体表示，这个结构体至少包含以下成员:
struct{
unsigned short semval; //信号量值，总是>=0
pid_t sempid; //上一次操作的pid
…
};
# include <sys /types.h >
# include <sys /ipc.h >
# include <sys /sem.h >
(1)创建或访问信号量
* int semget(key_t key,int nsems,int flag);
nsems指定信号量集中信号量的个数，如果只是获取信号量集的标识符(而非新建)，那么nsems可以为0。flag的低9位作为信号量的访问权限位，类似于文件的访问权限;如果flag中同时指定了IPC_CREAT和IPC_EXCL，那么如果key已与现存IPC对象想关联的话，函数将会返回EEXIST错误。例如，flag可以为IPC_CREAT|0666。
(2)控制信号量集
* int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);
对semid信号量集合执行cmd操作;cmd常用的两个值是:SETVAL初始化第semnum个信号量的值为arg.val;IPC_RMID删除信号量。
(3)对一个或多个信号量进行操作
* int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);
* struct sembuf{
unsigned short sem_num; //信号量索引
short sem_op; //对信号量进行的操作，常用的两个值为-1和+1，分别代表P、V操作
short sem_flag; //比较重要的值是SEM_UNDO:当进程结束时，相应的操作将被取消；同时，如果进程结束时没有释放资源的话，系统会自动释放
};
共享内存允许两个或多个进程共享一定的存储区，因为不需要拷贝数据，所以这是最快的一种IPC。
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
(1)创建或访问共享内存
* int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);
(2)附加共享内存到进程的地址空间
* void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);//shmaddr通常为NULL，由系统选择共享内存附加的地址;shmflg可以为SHM_RDONLY
(3)从进程的地址空间分离共享内存
* int shmdt(const void *shmaddr); //shmaddr是shmat()函数的返回值
(4)控制共享内存
* int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
* struct shmid_ds{
struct ipc_perm shm_perm;
…
};
cmd的常用取值有:(a)IPC_STAT获取当前共享内存的shmid_ds结构并保存在buf中(2)IPC_SET使用buf中的值设置当前共享内存的shmid_ds结构(3)IPC_RMID删除当前共享内存
消息队列保存在内核中，是一个由消息组成的链表。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
* int msgget(key_t key,int msgflg);
(2)操作消息队列
* int msgsnd(int msqid,const void *msg,size_t nbytes,int msgflg);
msg指向的结构体必须以一个long int成员开头，作为msgrcv()的消息类型，必须大于0。nbytes指的是msg指向结构体的大小，但不包括long int部分的大小
* ssize_t msgrcv(int msqid,void *msg,size_t nbytes,long msgtype,int msgflg);
如果msgtype是0，就返回消息队列中的第一个消息;如果是正整数，就返回队列中的第一个该类型的消息;如果是负数，就返回队列中具有最小值的第一个消息，并且该最小值要小于等于msgtype的绝对值。
(3)控制消息队列
* int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);
* struct msqid_ds{
struct ipc_perm msg_perm;
…
};
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4、Socket套接字
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套接字(Socket)是由Berkeley在BSD系统中引入的一种基于连接的IPC，是对网络接口(硬件)和网络协议(软件)的抽象。它既解决了无名管道只能在相关进程间单向通信的问题，又解决了网络上不同主机之间无法通信的问题。
套接字有三个属性:域(domain)、类型(type)和协议(protocol)，对应于不同的域，套接字还有一个地址(address)来作为它的名字。
域(domain)指定了套接字通信所用到的协议族，最常用的域是AF_INET，代表网络套接字，底层协议是IP协议。对于网络套接字，由于服务器端有可能会提供多种服务，客户端需要使用IP端口号来指定特定的服务。AF_UNIX代表本地套接字，使用Unix/Linux文件系统实现。
IP协议提供了两种通信手段:流(streams)和数据报(datagrams)，对应的套接字类型(type)分别为流式套接字和数据报套接字。流式套接字(SOCK_STREAM)用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字使用TCP协议。数据报套接字(SOCK_DGRAM)提供了一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP协议。
一种类型的套接字可能可以使用多于一种的协议来实现，套接字的协议(protocol)属性用于指定一种特定的协议。
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。
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