Linux進(jìn)程間通信之管道(pipe)、命名管道(FIFO)與信號(hào)(Signal)

管道(pipe)

管道可用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信，有名管道克服了管道沒有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它還允許無親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。

實(shí)現(xiàn)機(jī)制：

管道是由內(nèi)核管理的一個(gè)緩沖區(qū)，相當(dāng)于我們放入內(nèi)存中的一個(gè)紙條。管道的一端連接一個(gè)進(jìn)程的輸出。這個(gè)進(jìn)程會(huì)向管道中放入信息。

管道的另一端連接一個(gè)進(jìn)程的輸入，這個(gè)進(jìn)程取出被放入管道的信息。

一個(gè)緩沖區(qū)不需要很大，它被設(shè)計(jì)成為環(huán)形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便管道可以被循環(huán)利用。

當(dāng)管道中沒有信息的話，從管道中讀取的進(jìn)程會(huì)等待，直到另一端的進(jìn)程放入信息。

當(dāng)管道被放滿信息的時(shí)候，嘗試放入信息的進(jìn)程會(huì)等待，直到另一端的進(jìn)程取出信息。當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程都終結(jié)的時(shí)候，管道也自動(dòng)消失。

從原理上，管道利用fork機(jī)制建立，從而讓兩個(gè)進(jìn)程可以連接到同一個(gè)PIPE上。

最開始的時(shí)候，上面的兩個(gè)箭頭都連接在同一個(gè)進(jìn)程Process 1上(連接在Process 1上的兩個(gè)箭頭)。

當(dāng)fork復(fù)制進(jìn)程的時(shí)候，會(huì)將這兩個(gè)連接也復(fù)制到新的進(jìn)程(Process 2)。

隨后，每個(gè)進(jìn)程關(guān)閉自己不需要的一個(gè)連接 (兩個(gè)黑色的箭頭被關(guān)閉; Process 1關(guān)閉從PIPE來的輸入連接，Process 2關(guān)閉輸出到PIPE的連接)，這樣，剩下的紅色連接就構(gòu)成了如上圖的PIPE。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：

在 Linux 中，管道的實(shí)現(xiàn)并沒有使用專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而是借助了文件系統(tǒng)的file結(jié)構(gòu)和VFS的索引節(jié)點(diǎn)inode。

通過將兩個(gè) file 結(jié)構(gòu)指向同一個(gè)臨時(shí)的 VFS 索引節(jié)點(diǎn)，而這個(gè) VFS 索引節(jié)點(diǎn)又指向一個(gè)物理頁面而實(shí)現(xiàn)的。如下圖

有兩個(gè) file 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它們定義文件操作例程地址是不同的，其中一個(gè)是向管道中寫入數(shù)據(jù)的例程地址，而另一個(gè)是從管道中讀出數(shù)據(jù)的例程地址。

這樣，用戶程序的系統(tǒng)調(diào)用仍然是通常的文件操作，而內(nèi)核卻利用這種抽象機(jī)制實(shí)現(xiàn)了管道這一特殊操作。

關(guān)于管道的讀寫

管道實(shí)現(xiàn)的源代碼在fs/pipe.c中，在pipe.c中有很多函數(shù)，其中有兩個(gè)函數(shù)比較重要，即管道讀函數(shù)pipe_read()和管道寫函數(shù)pipe_wrtie()。

管道寫函數(shù)通過將字節(jié)復(fù)制到 VFS 索引節(jié)點(diǎn)指向的物理內(nèi)存而寫入數(shù)據(jù)，而管道讀函數(shù)則通過復(fù)制物理內(nèi)存中的字節(jié)而讀出數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，內(nèi)核必須利用一定的機(jī)制同步對管道的訪問，為此，內(nèi)核使用了鎖、等待隊(duì)列和信號(hào)。

當(dāng)寫進(jìn)程向管道中寫入時(shí)，它利用標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)write()，系統(tǒng)根據(jù)庫函數(shù)傳遞的文件描述符，可找到該文件的 file 結(jié)構(gòu)。

file 結(jié)構(gòu)中指定了用來進(jìn)行寫操作的函數(shù)（即寫入函數(shù)）地址，

于是，內(nèi)核調(diào)用該函數(shù)完成寫操作。寫入函數(shù)在向內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)之前，必須首先檢查 VFS 索引節(jié)點(diǎn)中的信息，同時(shí)滿足如下條件時(shí)，才能進(jìn)行實(shí)際的內(nèi)存復(fù)制工作：

·內(nèi)存中有足夠的空間可容納所有要寫入的數(shù)據(jù)；

·內(nèi)存沒有被讀程序鎖定。

如果同時(shí)滿足上述條件，寫入函數(shù)首先鎖定內(nèi)存，然后從寫進(jìn)程的地址空間中復(fù)制數(shù)據(jù)到內(nèi)存。

否則，寫入進(jìn)程就休眠在 VFS 索引節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中，接下來，內(nèi)核將調(diào)用調(diào)度程序，而調(diào)度程序會(huì)選擇其他進(jìn)程運(yùn)行。

寫入進(jìn)程實(shí)際處于可中斷的等待狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)存中有足夠的空間可以容納寫入數(shù)據(jù)，或內(nèi)存被解鎖時(shí)，讀取進(jìn)程會(huì)喚醒寫入進(jìn)程，這時(shí)，寫入進(jìn)程將接收到信號(hào)。

當(dāng)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存之后，內(nèi)存被解鎖，而所有休眠在索引節(jié)點(diǎn)的讀取進(jìn)程會(huì)被喚醒。

管道的讀取過程和寫入過程類似。但是，進(jìn)程可以在沒有數(shù)據(jù)或內(nèi)存被鎖定時(shí)立即返回錯(cuò)誤信息，而不是阻塞該進(jìn)程，這依賴于文件或管道的打開模式。

反之，進(jìn)程可以休眠在索引節(jié)點(diǎn)的等待隊(duì)列中等待寫入進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)。當(dāng)所有的進(jìn)程完成了管道操作之后，管道的索引節(jié)點(diǎn)被丟棄，而共享數(shù)據(jù)頁也被釋放。

Linux函數(shù)原型

#include int pipe(int filedes[2]);

filedes[0]用于讀出數(shù)據(jù)，讀取時(shí)必須關(guān)閉寫入端，即close(filedes[1]);

filedes[1]用于寫入數(shù)據(jù)，寫入時(shí)必須關(guān)閉讀取端，即close(filedes[0])。

程序?qū)嵗?/p>

int main(void){ int n; int fd[2]; pid_t pid; char line[MAXLINE]; if(pipe(fd) 0){ /* 先建立管道得到一對文件描述符 */ exit(0); } if((pid = fork()) 0) /* 父進(jìn)程把文件描述符復(fù)制給子進(jìn)程 */ exit(1); else if(pid > 0){ /* 父進(jìn)程寫 */ close(fd[0]); /* 關(guān)閉讀描述符 */ write(fd[1], " hello world ", 14); } else{ /* 子進(jìn)程讀 */ close(fd[1]); /* 關(guān)閉寫端 */ n = read(fd[0], line, MAXLINE); write(STDOUT_FILENO, line, n); } exit(0);}

命名管道(named PIPE)

由于基于fork機(jī)制，所以管道只能用于父進(jìn)程和子進(jìn)程之間，或者擁有相同祖先的兩個(gè)子進(jìn)程之間 (有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間)。

為了解決這一問題，Linux提供了FIFO方式連接進(jìn)程。FIFO又叫做命名管道(named PIPE)。

FIFO (First in, First out)為一種特殊的文件類型，它在文件系統(tǒng)中有對應(yīng)的路徑。

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程以讀(r)的方式打開該文件，而另一個(gè)進(jìn)程以寫(w)的方式打開該文件，那么內(nèi)核就會(huì)在這兩個(gè)進(jìn)程之間建立管道，所以FIFO實(shí)際上也由內(nèi)核管理，不與硬盤打交道。

之所以叫FIFO，是因?yàn)楣艿辣举|(zhì)上是一個(gè)先進(jìn)先出的隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最早放入的數(shù)據(jù)被最先讀出來，從而保證信息交流的順序。

FIFO只是借用了文件系統(tǒng)(file system,命名管道是一種特殊類型的文件，因?yàn)長inux中所有事物都是文件，它在文件系統(tǒng)中以文件名的形式存在。)來為管道命名。

寫模式的進(jìn)程向FIFO文件中寫入，而讀模式的進(jìn)程從FIFO文件中讀出。

當(dāng)刪除FIFO文件時(shí)，管道連接也隨之消失。

FIFO的好處在于我們可以通過文件的路徑來識(shí)別管道，從而讓沒有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間建立連接

函數(shù)原型：

#include #include int mkfifo(const char *filename, mode_t mode);int mknode(const char *filename, mode_t mode | S_IFIFO, (dev_t) 0 );

其中pathname是被創(chuàng)建的文件名稱，mode表示將在該文件上設(shè)置的權(quán)限位和將被創(chuàng)建的文件類型(在此情況下為S_IFIFO)，dev是當(dāng)創(chuàng)建設(shè)備特殊文件時(shí)使用的一個(gè)值。

因此，對于先進(jìn)先出文件它的值為0。

程序?qū)嵗?/p>

#include #include #include #include int main() { int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777); if (res == 0) { printf("FIFO created/n"); } exit(EXIT_SUCCESS); }

編譯這個(gè)程序：

gcc –o fifo1.c fifo

運(yùn)行這個(gè)程序：

$ fifo1

用ls命令查看所創(chuàng)建的管道

$ls-lF/tmp/my_fifoprwxr-xr-x 1 root root 0 05-08 20:10 /tmp/my_fifo|

注意：ls命令的輸出結(jié)果中的第一個(gè)字符為p，表示這是一個(gè)管道。

最后的|符號(hào)是由ls命令的-F選項(xiàng)添加的，它也表示是這是一個(gè)管道。

FIFO讀寫規(guī)則

1.從FIFO中讀取數(shù)據(jù)：約定：如果一個(gè)進(jìn)程為了從FIFO中讀取數(shù)據(jù)而阻塞打開了FIFO，那么稱該進(jìn)程內(nèi)的讀操作為設(shè)置了阻塞標(biāo)志的讀操作

2.從FIFO中寫入數(shù)據(jù)：約定：如果一個(gè)進(jìn)程為了向FIFO中寫入數(shù)據(jù)而阻塞打開FIFO，那么稱該進(jìn)程內(nèi)的寫操作為設(shè)置了阻塞標(biāo)志的寫操作。

詳見：http://blog.csdn.net/MONKEY_D_MENG/article/details/5570468

信號(hào)（Signal）

信號(hào)是比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接受進(jìn)程有某種事件發(fā)生，除了用于進(jìn)程間通信外，進(jìn)程還可以發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程本身；

Linux除了支持Unix早期信號(hào)語義函數(shù)sigal外，還支持語義符合Posix.1標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)函數(shù)sigaction（實(shí)際上，該函數(shù)是基于BSD的，BSD為了實(shí)現(xiàn)可靠信號(hào)機(jī)制，又能夠統(tǒng)一對外接口，用sigaction函數(shù)重新實(shí)現(xiàn)了signal函數(shù)）

信號(hào)種類

每種信號(hào)類型都有對應(yīng)的信號(hào)處理程序(也叫信號(hào)的操作)，就好像每個(gè)中斷都有一個(gè)中斷服務(wù)例程一樣。

大多數(shù)信號(hào)的默認(rèn)操作是結(jié)束接收信號(hào)的進(jìn)程；

然而，一個(gè)進(jìn)程通常可以請求系統(tǒng)采取某些代替的操作，各種代替操作是：

忽略信號(hào)。隨著這一選項(xiàng)的設(shè)置，進(jìn)程將忽略信號(hào)的出現(xiàn)。

有兩個(gè)信號(hào) 不可以被忽略：SIGKILL，它將結(jié)束進(jìn)程；

SIGSTOP，它是作業(yè)控制機(jī)制的一部分，將掛起作業(yè)的執(zhí)行。

恢復(fù)信號(hào)的默認(rèn)操作。

執(zhí)行一個(gè)預(yù)先安排的信號(hào)處理函數(shù)。

進(jìn)程可以登記特殊的信號(hào)處理函數(shù)。

當(dāng)進(jìn)程收到信號(hào)時(shí)，信號(hào)處理函數(shù)將像中斷服務(wù)例程一樣被調(diào)用，當(dāng)從該信號(hào)處理函數(shù)返回時(shí)，控制被返回給主程序，并且繼續(xù)正常執(zhí)行。

但是，信號(hào)和中斷有所不同。

中斷的響應(yīng)和處理都發(fā)生在內(nèi)核空間，而信號(hào)的響應(yīng)發(fā)生在內(nèi)核空間，信號(hào)處理程序的執(zhí)行卻發(fā)生在用戶空間。

那么，什么時(shí)候檢測和響應(yīng)信號(hào)呢？通常發(fā)生在兩種情況下：

當(dāng)前進(jìn)程由于系統(tǒng)調(diào)用、中斷或異常而進(jìn)入內(nèi)核空間以后，從內(nèi)核空間返回到用戶空間前夕；

當(dāng)前進(jìn)程在內(nèi)核中進(jìn)入睡眠以后剛被喚醒的時(shí)候，由于檢測到信號(hào)的存在而提前返回到用戶空間。

函數(shù)原型等詳見：

http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/08/04/2622265.html

信號(hào)本質(zhì)

信號(hào)是在軟件層次上對中斷機(jī)制的一種模擬，在原理上，一個(gè)進(jìn)程收到一個(gè)信號(hào)與處理器收到一個(gè)中斷請求可以說是一樣的。

信號(hào)是異步的，一個(gè)進(jìn)程不必通過任何操作來等待信號(hào)的到達(dá)，事實(shí)上，進(jìn)程也不知道信號(hào)到底什么時(shí)候到達(dá)。

信號(hào)是進(jìn)程間通信機(jī)制中唯一的異步通信機(jī)制，可以看作是異步通知，通知接收信號(hào)的進(jìn)程有哪些事情發(fā)生了。

信號(hào)機(jī)制經(jīng)過POSIX實(shí)時(shí)擴(kuò)展后，功能更加強(qiáng)大，除了基本通知功能外，還可以傳遞附加信息。

信號(hào)來源

信號(hào)事件的發(fā)生有兩個(gè)來源：

硬件來源(比如我們按下了鍵盤或者其它硬件故障)；

軟件來源，最常用發(fā)送信號(hào)的系統(tǒng)函數(shù)是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函數(shù)，軟件來源還包括一些非法運(yùn)算等操作。

關(guān)于信號(hào)處理機(jī)制的原理(內(nèi)核角度)

內(nèi)核給一個(gè)進(jìn)程發(fā)送軟中斷信號(hào)的方法，是在進(jìn)程所在的進(jìn)程表項(xiàng)的信號(hào)域設(shè)置對應(yīng)于該信號(hào)的位。

這里要補(bǔ)充的是，

如果信號(hào)發(fā)送給一個(gè)正在睡眠的進(jìn)程，那么要 看該進(jìn)程進(jìn)入睡眠的優(yōu)先級(jí)，如果進(jìn)程睡眠在可被中斷的優(yōu)先級(jí)上，則喚醒進(jìn)程；

否則僅設(shè)置進(jìn)程表中信號(hào)域相應(yīng)的位，而不喚醒進(jìn)程。

這一點(diǎn)比較重要，因?yàn)檫M(jìn)程檢查是否收到信號(hào)的時(shí)機(jī)是：一個(gè)進(jìn)程在即將從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)時(shí)；

或者，在一個(gè)進(jìn)程要進(jìn)入或離開一個(gè)適當(dāng)?shù)牡驼{(diào)度優(yōu)先級(jí)睡眠狀態(tài)時(shí)。

內(nèi)核處理一個(gè)進(jìn)程收到的信號(hào)的時(shí)機(jī)是在一個(gè)進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時(shí)。

所以，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行時(shí)，

軟中斷信號(hào)并不立即起作用，要等到將返回用戶態(tài)時(shí)才處理。

進(jìn)程只有處理完信號(hào)才會(huì)返回用戶態(tài)（上面的例子程序中，在步驟5中，解除阻塞后，先打印caught SIGQUIT，再打印SIGQUIT unblocked，即在sigprocmask返回前，信號(hào)處理程序先執(zhí)行），進(jìn)程在用戶態(tài)下不會(huì)有未處理完的信號(hào)。

內(nèi)核處理一個(gè)進(jìn)程收到的軟中斷信號(hào)是在該進(jìn)程的上下文中，因此，進(jìn)程必須處于運(yùn)行狀態(tài)。

如果進(jìn)程收到一個(gè)要捕捉的信號(hào)，那么進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時(shí)執(zhí)行用戶定義的函數(shù)。

而且執(zhí)行用戶定義的函數(shù)的方法很巧妙，內(nèi)核是在用戶棧上創(chuàng)建一個(gè)新的層，該層中將返回地址的值設(shè)置成用戶定義的處理函數(shù)的地址，

這樣進(jìn)程從內(nèi)核返回彈出棧頂時(shí)就返回到用戶定義的函數(shù)處，從函數(shù)返回再彈出棧頂時(shí)，才返回原先進(jìn)入內(nèi)核的地方，接著原來的地方繼續(xù)運(yùn)行。

這樣做的原因是用戶定義的處理函數(shù)不能且不允許在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行（如果用戶定義的函數(shù)在內(nèi)核態(tài)下運(yùn)行的話，用戶就可以獲得任何權(quán)限）。

在信號(hào)的處理方法中有幾點(diǎn)特別要引起注意。

第一，在一些系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程處理完中斷信號(hào)返回用戶態(tài)之前，內(nèi)核清除用戶區(qū)中設(shè)定的對該信號(hào)的處理例程的地址，

即下一次進(jìn)程對該信號(hào)的處理方法又改為默認(rèn)值，除非在下一次信號(hào)到來之前再次使用signal系統(tǒng)調(diào)用。

這可能會(huì)使得進(jìn)程在調(diào)用signal之前又得 到該信號(hào)而導(dǎo)致退出。在BSD中，內(nèi)核不再清除該地址。

但不清除該地址可能使得進(jìn)程因?yàn)檫^多過快的得到某個(gè)信號(hào)而導(dǎo)致堆棧溢出。為了避免出現(xiàn)上述情況。

在 BSD系統(tǒng)中，內(nèi)核模擬了對硬件中斷的處理方法，即在處理某個(gè)中斷時(shí)，阻止接收新的該類中斷。

第二個(gè)要引起注意的是，如果要捕捉的信號(hào)發(fā)生于進(jìn)程正在一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用中時(shí)，并且該進(jìn)程睡眠在可中斷的優(yōu)先級(jí)上（若系統(tǒng)調(diào)用未睡眠而是在運(yùn)行，根據(jù)上面的分 析，等該系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行完畢后再處理信號(hào)），

這時(shí)該信號(hào)引起進(jìn)程作一次longjmp，跳出睡眠狀態(tài)，返回用戶態(tài)并執(zhí)行信號(hào)處理例程。

當(dāng)從信號(hào)處理例程返回 時(shí)，進(jìn)程就象從系統(tǒng)調(diào)用返回一樣，但返回了一個(gè)錯(cuò)誤如－1，并將errno設(shè)置為EINTR，指出該次系統(tǒng)調(diào)用曾經(jīng)被中斷。

這要注意的是，BSD系統(tǒng)中內(nèi) 核可以自動(dòng)地重新開始系統(tǒng)調(diào)用，或者手如上面所述手動(dòng)設(shè)置重啟。

第三個(gè)要注意的地方：若進(jìn)程睡眠在可中斷的優(yōu)先級(jí)上，則當(dāng)它收到一個(gè)要忽略的信號(hào)時(shí)，該進(jìn)程被喚醒，但不做longjmp，一般是繼續(xù)睡眠。

但用戶感覺不 到進(jìn)程曾經(jīng)被喚醒，而是象沒有發(fā)生過該信號(hào)一樣。

所以能夠使pause、sleep等函數(shù)從掛起態(tài)返回的信號(hào)必須要有信號(hào)處理函數(shù)，如果沒有什么動(dòng)作，可以將處理函數(shù)設(shè)為空。

第四個(gè)要注意的地方：內(nèi)核對子進(jìn)程終止（SIGCLD）信號(hào)的處理方法與其他信號(hào)有所區(qū)別。

當(dāng)進(jìn)程正?；虍惓＝K止時(shí)，內(nèi)核都向其父進(jìn)程發(fā)一個(gè)SIGCLD 信號(hào)，缺省情況下，父進(jìn)程忽略該信號(hào)，就象沒有收到該信號(hào)似的，

如果父進(jìn)程希望獲得子進(jìn)程終止的狀態(tài)，則應(yīng)該事先用signal函數(shù)為SIGCLD信號(hào)設(shè) 置信號(hào)處理程序，在信號(hào)處理程序中調(diào)用wait。

SIGCLD信號(hào)的作用是喚醒一個(gè)睡眠在可被中斷優(yōu)先級(jí)上的進(jìn)程。

如果該進(jìn)程捕捉了這個(gè)信號(hào)，就象普通信號(hào)處理一樣轉(zhuǎn)到處理例程。

如果進(jìn)程忽略該信號(hào)，則 什么也不做。

其實(shí)wait不一定放在信號(hào)處理函數(shù)中，但這樣的話因?yàn)椴恢雷舆M(jìn)程何時(shí)終止，在子進(jìn)程終止前，wait將使父進(jìn)程掛起休眠。

信號(hào)生命周期

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