9.进程间通信

1. 进程间通信（IPC）概述

• IPC的分类：
  1. 古老的通信方式：
     • 无名管道（pipe）。
     • 有名管道（fifo）。
     • 信号（signal）。
  2. IPC对象通信：
     • 消息队列（较少使用）。
     • 共享内存。
     • 信号量集。
  3. Socket通信：用于网络通信。

2. 无名管道（Pipe）

• 特性：
  • 只能用于有亲缘关系的进程间通信（如父子进程）。
  • 半双工通信模式（单向通信）。
  • 数据以队列形式存储，先进先出（FIFO）。
  • 数据容量上限为64KB。
• 使用框架：
  1. 创建管道：

     int pipe(int pipefd[2]);
     

     • pipefd[0]：读端。
     • pipefd[1]：写端。
  2. 读写管道：
     • 读：read(pipefd[0], buffer, size);
     • 写：write(pipefd[1], buffer, size);
  3. 关闭管道：

     close(pipefd[0]);
     close(pipefd[1]);
     

• 注意事项：
  • 管道的创建应在fork之前。
  • 读端关闭时，写操作会触发SIGPIPE信号。
  • 写端关闭时，读操作会返回0（表示文件结束）。

3. 有名管道（FIFO）

• 特性：
  • 可用于任意进程间通信。
  • 在文件系统中可见（通过mkfifo创建）。
  • 半双工通信模式。
• 使用框架：
  1. 创建有名管道：

     int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
     

  2. 打开有名管道：

     int fd_read = open("./fifo", O_RDONLY);
     int fd_write = open("./fifo", O_WRONLY);
     

  3. 读写管道：
     • 读：read(fd_read, buffer, size);
     • 写：write(fd_write, buffer, size);
  4. 关闭管道：

     close(fd_read);
     close(fd_write);
     

  5. 卸载管道：

     int unlink(const char *pathname);
     

4. 信号通信（Signal）

• 特性：
  • 异步通信方式。
  • 用于进程间发送简单的通知。
• 信号的处理方式：
  1. 默认处理：系统默认行为（如终止进程）。
  2. 忽略处理：忽略信号（如SIG_IGN）。
  3. 自定义处理：捕获信号并执行自定义函数。
• 信号注册函数：

  typedef void (*sighandler_t)(int);
  sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
  

  • handler：可以是SIG_DFL（默认）、SIG_IGN（忽略）或自定义函数。
• 常见信号：
  • SIGKILL（9）：强制终止进程，不可捕获或忽略。
  • SIGSTOP（19）：暂停进程，不可捕获或忽略。
  • SIGUSR1（10）和SIGUSR2（12）：用户自定义信号。

5. 练习与作业

• 练习1：设计一个多进程程序，使用无名管道在父子进程间传递任意信息（如数字、字符串）。
• 练习2：验证管道的同步效果，测试读端关闭时写操作的行为，以及写端关闭时读操作的行为。
• 练习3：使用有名管道实现非亲缘关系进程间的通信，支持连续发送数据并在收到quit时退出。
• 作业1：封装有名管道的读写函数：

  int fifo_read(char *fifoname, void *s, int size);
  int fifo_write(char *fifoname, void *s, int size);
  

• 作业2：修改有名管道通信程序，添加信号处理流程，当发送quit时，进程A发送信号，进程B收到信号后退出。

6. 信号的应用

• 发送信号：
  • kill：向指定进程发送信号。

    int kill(pid_t pid, int sig);
    

  • raise：向当前进程发送信号。

    int raise(int sig);
    

  • alarm：设置定时器，定时发送SIGALRM信号。

    unsigned int alarm(unsigned int seconds);
    

• 信号处理：
  • 自定义信号处理函数：

    void handler(int sig) {
        // 自定义处理逻辑
    }
    

  • 注册信号处理函数：

    signal(SIGUSR1, handler);
    

7. 总结

• 无名管道：适用于有亲缘关系的进程间通信，数据容量有限。
• 有名管道：适用于任意进程间通信，通过文件系统可见。
• 信号通信：适用于异步通知，支持默认、忽略和自定义处理方式。