进程间通信¶
进程之间的地址空间相互独立，要实现进程间的通信，需要特殊的机制。
管道¶
下面的语句创建两个进程，并用管道把这两个进程连接在一起。
第一个进程的标准输出被重定向到管道中，第二个进程从这个管道读取输入。
通过管道传递的数据是顺序的，也就是读和写的顺序一致。从管道中读取数据是一次性操作，读完了空间就被释放了。
上面这种管道由于没有名字，又叫做匿名管道。
匿名管道的创建需要经过以下这个函数：
fd[0]代表管道的读端，fd[1]代表管道的写端。
匿名管道可以用于父子进程之间的通信，fork()函数创建的子进程会复制父进程的文件描述符，这样每个进程就都有fd[0]和fd[1]两个文件描述符。由于管道只能一端读，一端写，所以我们可以：
- 父进程关闭fd[0]，只保留fd[1]
- 子进程关闭fd[1]，只保留fd[0]
这样父子进程就可以通过匿名管道通信了。
还有一种管道叫有名管道。它以一种特殊的文件形式存放在文件系统中，这样两个没有亲缘关系的进程都可以通过访问这个特殊文件的方式来进行通信。
创建有名管道需要用到这个函数：
Note
对于有名管道的读、写操作都会阻塞进程。
不论是匿名管道还是有名管道，其数据都存放在内存中，遵循先进先出的原则。
消息队列¶
消息队列的通讯方式就像邮件，发送数据时，会分成一个个独立的数据单元，也就是消息体，每个消息体都是固定大小的存储块，在字节流上不连续。消息体的定义如下：
使用消息队列前需要先调用ftok()函数，该函数会根据文件的inode生成一个唯一的key。只要在这个消息队列的生命周期内，这个文件不被删除，那么无论什么时刻，再调用ftok，也会得到同样的key。这种key的使用方式在其他System V IPC进程间通信机制体系中也适用。
常用函数：
| 函数名 | 说明 |
|---|---|
| msgget | 创建或访问一个消息队列 |
| msgsnd | 发送一个消息 |
| msgrcv | 接收一个消息 |
| msgctl | 控制消息队列 |
共享内存¶
共享内存是一种高效的通信方式，允许多个进程直接访问同一块内存空间。
常用函数：
| 函数名 | 说明 |
|---|---|
| shmget | 创建或访问一块共享内存 |
| shmat | 将共享内存连接到当前进程的地址空间 |
| shmdt | 将共享内存从当前进程的地址空间断开 |
| shmctl | 控制共享内存 |
信号¶
信号的机制与硬件中断非常相似，都是异步地发送一个请求，区别在于中断处理函数是在内核态，而信号处理函数是在用户态。信号可以在任何时刻发送给任何一个进程。
在Linux系统中，为了响应各种事件定义了非常多的信号。比如当我们发送kill -9 ${pid}时，其实就是发送SIGKILL信号给指定进程，将它杀死。我们可以通过kill -l命令查看所有的信号：
# kill -l
1) SIGHUP 2) SIGINT 3) SIGQUIT 4) SIGILL 5) SIGTRAP
6) SIGABRT 7) SIGBUS 8) SIGFPE 9) SIGKILL 10) SIGUSR1
11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP
21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG 24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH 29) SIGIO 30) SIGPWR
31) SIGSYS 34) SIGRTMIN 35) SIGRTMIN+1 36) SIGRTMIN+2 37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4 39) SIGRTMIN+5 40) SIGRTMIN+6 41) SIGRTMIN+7 42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9 44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9 56) SIGRTMAX-8 57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6 59) SIGRTMAX-5 60) SIGRTMAX-4 61) SIGRTMAX-3 62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1 64) SIGRTMAX
每个信号都有一个唯一的ID和其默认的操作：
Signal Value Action Comment
──────────────────────────────────────────────────────────────────────
SIGHUP 1 Term Hangup detected on controlling terminal
or death of controlling process
SIGINT 2 Term Interrupt from keyboard
SIGQUIT 3 Core Quit from keyboard
SIGILL 4 Core Illegal Instruction
SIGABRT 6 Core Abort signal from abort(3)
SIGFPE 8 Core Floating point exception
SIGKILL 9 Term Kill signal
SIGSEGV 11 Core Invalid memory reference
SIGPIPE 13 Term Broken pipe: write to pipe with no
readers
SIGALRM 14 Term Timer signal from alarm(2)
SIGTERM 15 Term Termination signal
SIGUSR1 30,10,16 Term User-defined signal 1
SIGUSR2 31,12,17 Term User-defined signal 2
...
进程对信号的处理方式有三种：
- 执行默认操作。
- 执行自定义信号处理函数。
- 忽略信号。
Note
注意，SIGKILL和SIGSTOP信号无法忽略。
Linux推荐使用sigaction()函数来自定义信号处理函数。它的定义如下：
signum：要处理的信号值
act：指向sigaction结构体的指针，定义了信号处理函数和信号处理函数的附加信息，若为空则采用缺省方式
oldact：指向sigaction结构体的指针，用于保存原来对信号的处理方式
而sigaction结构体的定义如下：
struct sigaction {
__sighandler_t sa_handler;
unsigned long sa_flags;
__sigrestore_t sa_restorer;
sigset_t sa_mask;
};
其中sa_handler就是你要定义的信号处理函数。
发送信号有两种方式，一种是发送给整个线程组的，还有一种是发送给某个单独线程的。信号分为不可靠信号和可靠信号。在task_struct中有一个结构体sigpending，它的定义如下：
对于不可靠信号，也就是编号小于32的信号，会放在sigset_t signal集合中，不论发送多少次，在被处理前都只会保留一份。所以不可靠信号会造成信号的丢失。对于可靠信号，则会挂在struct sigpending结构体中的链表里挨个处理。
一旦信号挂到了task_struct结构体中，就会设置一个TIF_SIGPENDING标志位，表示有信号等待处理。然后在系统调用结束，或者中断处理结束，都会检查这个标志位。如果设置了，就会调用do_signal()函数来处理信号。
static void exit_to_usermode_loop(struct pt_regs *regs, u32 cached_flags)
{
while (true) {
......
if (cached_flags & _TIF_NEED_RESCHED)
schedule();
......
/* deal with pending signal delivery */
if (cached_flags & _TIF_SIGPENDING)
do_signal(regs);
......
if (!(cached_flags & EXIT_TO_USERMODE_LOOP_FLAGS))
break;
}
}
信号处理流程如下图所示：
netlink¶
netlink是一种用户态和内核态之间进行通信的机制，当然用户之间，甚至内核之间也是可以通信的，只不过这不是netlink的主要使用场景，因此不在此讨论。
一般来说用户空间和内核空间的通信方式有三种：/proc、ioctl、netlink。前两种都是单向的，而netlink可以实现双工通信。netlink基于socket和AF_NETLINK地址簇，使用32位的端口号寻址。
netlink支持两种类型的通信方式：单播和多播。
- 单播：一个用户进程对应一个内核进程。
- 多播：多个用户进程对应一个内核进程。内核会创建一个多播组，然后将有需求的用户进程加入到该组中来接受内核消息。
用户态数据结构¶
struct sockaddr_nl {
__kernel_sa_family_t nl_family; /* AF_NETLINK */
unsigned short nl_pad; /* zero */
__u32 nl_pid; /* port ID */
__u32 nl_groups; /* multicast groups mask */
};
- nl_pid：在netlink规范中，PID全称为Port-ID(32bits)，用于唯一标识一个基于netlink的socket通道。通常情况下该值都为进程的PID号，如果设置为0，则表示内核。
- nl_groups：如果用户空间的进程希望加入某个多播组，则必须执行
bind()系统调用。该字段指明了调用者希望加入的多播组号的掩码。如果为0，则表示不希望加入任何多播组。
netlink的报文由消息头和消息体组成，struct nlmsghdr即为消息头：
struct nlmsghdr{
__u32 nlmsg_len; // Length of message including header
__u16 nlmsg_type; // Message content type
__u16 nlmsg_flags; // Additional flags
__u32 nlmsg_seq; // Sequence number
__u32 nlmsg_pid; // Sending process ID
}
其中nlmsg_len为整个报文的长度，nlmsg_type为消息类型，nlmsg_flags为附加的标志位，nlmsg_seq为报文序列号，nlmsg_pid为发送进程的ID。
用户态API¶
用户态使用标准的socket API，包括socket(), bind(), sendmsg(), recvmsg() 和 close()就可以使用netlink进行通信。
- 创建socket：
-
设置
struct sockaddr_nl： -
绑定socket：
-
发送消息：
-
接收消息：
一个接受程序必须分配一个足够大的内存用户保存netlink消息头和消息负载：
#define MAX_NL_MSG_LEN 1024 struct sockaddr_nl nladdr; struct msghdr msg; struct iovec iov; struct nlmsghdr * nlhdr; nlhdr = (struct nlmsghdr *)malloc(MAX_NL_MSG_LEN); iov.iov_base = (void *)nlhdr; iov.iov_len = MAX_NL_MSG_LEN; msg.msg_name = (void *)&(nladdr); msg.msg_namelen = sizeof(nladdr); msg.msg_iov = &iov; msg.msg_iovlen = 1; recvmsg(fd, &msg, 0);
内核态API¶
-
创建netlink socket：
-
发送单播消息：
-
发送多播消息：
zeromq¶
github地址：https://github.com/zeromq/libzmq。
zeromq是一个基于socket、开源的轻量级通信库。