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Linux高级编程

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大纲/内容

进程间通信(IPC)

IPC

广义上一切能是进程间相互交流的对象和方法都是IPC，比如文件、管道、socket等

狭义上的IPC特指消息队列】信号量和共享内存三种对象

应用范围

消息队列应用于不同进程之间少量数据的顺序共享

消息量应用于进程间的同步互斥的控制

共享内存应用于进程间大批数据的随机共享访问

条件

必须通过内核

机制

进程1从用户空间拷到内核缓冲区，进程2从内核缓冲区读走

目的

数据传输

共享数据

一个进程改变，所有进程改变

通知事件

一个进程向一个或一组进程发消息通知其发生什么事件（如:进程终止需要通知父进程）

资源共享

涉及到锁、同步机制

进程控制

有些进程希望完全控制另一个进程的执行(如Debug进程)此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

分类

早期UNIX进程间通信

管道

特点

单向

先进先出

环形队列

无结构

固定大小

简单的流控制体制

分类

无名管道

特性

半双工通信方式，具有固定的读写端

具有亲缘关系的进程

基于文件描述符的通信方式
当创建管道时，会创建两个文件描述符
fds[0]，固定用于读管道， fds[1]固定用于写管道

#include <unistd.h>

int pipe(int filedes[2]);

限制

1.两个进程通过一个管道只能实现单项通信，比如父写子读，如调换需要另开一个管道

2.管道读写端通过打开的文件描述符来传递，所以两进程要通信必须从公共祖先继承文件描述符

fork函数其大作用

特殊情况

1.写端关闭，读完数据再读返回0

2.写端未关闭，但不写数据，读完数据后，再次read就会阻塞

3.读端关闭，再写，进程通常异常终止

4.管道数据满时，写动作会阻塞

标准流管道

基于文件流的模式

popen();

FILE *popen ( char *command, char *type);

type是r与w二者之一，以参数type中第一个字符代表的方式打开

pclose();

int pclose( FILE *stream );

返回系统调用wait4( )的状态，破化管道

命名管道（FIFO）

概念

可以用于两个互不相关进程实现通信，，可以通过路径名哎指出，并且文件系统中可见

两进程可以将FIFO当作文件进行读写

遵循先进先出规则，读从开始处返回，写将数据添加到末尾

特性

在文件系统中作为特殊的设备文件

不同祖先的进程可以通过管道共享数据

可保存于文件系统中

#include <sys/types.h>
#include <sys/state.h>

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

FIFO

信号

概念

软件中断

在软件层次上对硬件中断的一种模拟

处理异步事件

特性

信号可直接进行用户空间进程与系统内核进程的交互，也可以内核进程通知用户空间进程发生了什么事件，可以任何时候发送，无需知道进程所处状态。

如果该进程未处于执行态，就由内核保存起来，直至其运行再传递
如果该进程处于阻塞，传递就延迟，直到其阻塞取消再传递

产生

通过终端按键产生信号

SIGINT(Ctrl-C)默认动作终止进程
SIGQUIT(Ctrl-\)默认动作是终止进程并且Core Dump
Ctrl-Z产生SIGTSTP信号,挂起符,内核给所有前台进程组发送该信号

调用系统函数想进程发信号

kill -SIGEGV pid
#include<signal.h>
int kill(pid_t pid, int signo);
int raise(int signo);

kill -l 查看系统支持的信号列表

raise 函数允许进程香向自身发送信号

由软件条件产生信号

alarm.c

alarm函数发送的信号SIGALARM默认的系统动作为终止该进程，因此在程序调用pause之后，程序终止

alarm();

int pause(void);

通常用于判断信号是否已到

向读端已关闭的管道写数据的产生SIGPIPE信号

硬件异常产生信号

硬件检测到并通知内核，然后内核发送适当的信号

例如除以0，CPU运算单元会产生异常，
内核将这个异常解释为SIGFPE

主要来源

异常

进程运行过程中出现异常

其他进程

一个进程可以向另一个或一组进程发送信号

终端中断

作业控制

前台、后台进程的管理

分配额

CPU超时或文件大小突破限制

通知

通知j进程某事件发生，如I/O就绪等

报警

计时器到期

关联动作

忽略此信号

SIGKILL和SIGTOP永远不能被忽略
忽略硬件异常，结果无法想象

执行默认动作

异常终止

在进程当前目录下，把进程的地址空间内容、寄存器内容保存到Core文件中，然后终止程序

退出

直接终止

忽略

停止

挂起

继续

如果该进程被挂起，就恢复其运行，否则，忽略信号

提供一个信号处理函数

要求内核在处理该信号时切换到用户态执行这个处理函数，即捕捉一个信号

内核中的
表现形式

状态

递达

未决

信号集sigset_t存储

阻塞

信号集sigset_t存储，阻塞信号集也叫信号屏蔽字

每个信号都有两个标志位分别表示阻塞和未决(0 / 1)，还有一个函数指针表示处理动作

linux中有64个信号
前32常规信号，它在传递之前产生多次只计一次
后32实时信号，它会排队等候

信号集操作函数

#include<signal.h>

int sigemptyser(sigset_t *set);

int sigfillset(sigset_t *set);

int sigaddset(sigset_t *set, int signo);

int sigdelset(sigset_t *set, int signo);

int sigismember(const sigset_t *set, int signo);

sigprocmask

int sigprocmask(int how, const sigset_t *set,
sigset_t *oset);

sigpending

int sigpending(sigset_t *set);

信号处理

主要方式（2种）

使用简单的signal函数

使用时只需把要处理的信号和处理函数列出就ok

主要是对前32种非实时信号的处理，不支持信号传递信息

使用信号集函数

内核实现信号捕捉机制

1.用户注册信号处理函数；

2.当前发生中断或异常，从main函数切换到内核态；

3.在中断处理完毕后要返回main时先检查是否有信号抵达

4.有信号，内核返回用户态时并不是恢复main函数上下文，而是执行sighandler函数，它与main使用不同堆栈空间，不存在调用和被调用的关系，是两个独立的控制流程

5.sighandler函数返回后自动执行特殊的系统调用sigreturn再次进入内核态

6.如果没有新的信号递达，就返回用户态回复main函数上下文继续执行

#include<signal.h>下的常用信号出来函数

signal

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

sigaction

int sigaction(int signo, const struct sigaction *act, struct
sigaction *oact);

清除僵尸进程

父进程调用sigaction将SIGCHLD的处理动作置为SIG_IGN，
这样fork出来的子进程在终止时会自动清理掉，不会产生僵尸进程，
也不会通知父进程。

异步程序

信号处理函数

是单独的控制流程，与主控制流程是异步的，二者不存在调用和被调用关系，使用不同的堆栈空间

引入后使得一个进程具有多个控制流程，
如果这些控制流程访问相同的全局资源（全局变量、硬件资源等），就有可能出现冲突

可/不可重入函数

例如链表的insert函数被不同的控制流程调用，有可能再第一次调用还没返回时就再次进入该函数，成为重入

insert函数访问一个全局链表，有可能因为重入而造成错误，成为不可重入函数

条件(符合其一就为不可重入)

调用了malloc或free，因为malloc也是全局链表来管理堆的。

调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

如果一个函数只访问自己的局部变量和资源，称为可重入函数

竞态条件

系统运行的时序并不像我们写程序时设想的那样。
由于异步事件再任何时候都有可能发生(这里的异步事件指出现更高优先级的进程)，如果我们写程序时考虑不周密，有可能由于时序问题而导致错误，这叫做竞态条件

sigsuspend

解决竞态条件问题

包含了pause的挂起等待功能，再对时序要求严格的场合下都应该调用sigsuspend而不是pause

#include <signal.h>
◼ int sigsuspend(const sigset_t *sigmask);

基于System V进程间通信

System V消息队列

定位

用来在进程之间传递消息

特点

似于管道，优于管道

消息队列先进先出

将输出的信息进行了打包处理，保证以每个消息消息为单位进行接收

可以对货物进行分类服务，根据类别出货

是一个链表

允许一个或多个进程向它写消息，一个或多个进程从中读消息
具有一定的FIFO特性，但可实现消息的随即查询
消息存在于内核中，由队列ID来标识

实现

创建和打开队列

int msgget (key_t key, int flag)

添加消息

读取消息

控制消息队列

System V信号灯

System V共享内存

基于Socket进程间通信

POSIX进程间通信

posix消息队列、 posix信号灯、 posix共享内存

使用较多的通信方式

共享内存

同一内存空间，牵一发动全身

信号量

作为进程间以及同一进程不同线程间同步手段

套接字

可用于不同机器之间的进程通信

初识操作系统

名称

Operating System

角色

魔术师角色/管理者角色

定义

是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。

关系

操作系统为用户程序提供了一个虚拟机器界面,而应用程序
运行在这个界面之上。

文件I/O

系统调用

定义

操作系统提供给用户程序的一组“特殊”接口
用户通过这组接口来获得内核提供的特殊服务

实例

用户可以通过进程控制相关的系统调用
来创建进程、实现进程调度、进程管理等

意义

为了更好的保护内核空间，程序运行空间分为内核空间和用户空间

用户进程通常情况不允许访问内核数据，也无法使用内核函数，
只能操作用用用户空间

场景

用户需要获得一定的系统服务
系统规定用户进程进入内核空间的具位置

API

用户编程接口

系统命令(可执行程序)高于API，实际内部引用了API来实现相应功能

方式

通过软中断向内核提交请求
以获得内核服务的接口

操作

错误

errno

strerror();

perror

文件

一切皆文件

1.普通文件

2.目录文件

3.链接文件

4.设备文件

文件描述符
<unistd.h>

非负整数，索引值，指向内核进程打开文件的记录表

可作为参数传给相应函数

文件描述符的范围是0 ~ OPEN_MAX
Linux 下OPEN_MAX为1048576

进程启动所打开的3个文件(描述符)

标准输入0/STDIN_FILENO

标准输出 1/STDOUT_FILENO

标准出错处理 2/STDERR_FILENO

I/O

关于STDOUT_FILENO和标准I/O

区别

1、数据类型不一致
stdin等类型为 FILE *
STDIN_FILENO等类型为 int
使用stdin的函数主要有：fread、fwrite、fclose等，基本上都以f开头
使用STDIN_FILENO的函数有：read、write、close等

2、层次不一致
stdin等属于标准I/O，高级的输入输出函数。在<stdio.h>。
STDIN_FILENO等是文件描述符，是非负整数，一般定义为0, 1, 2，直接调用系统调用，在<unistd.h>。

stdin等属于标准库处理的输入流，其声明为 FILE 型的，对应的函数为标准库调用等
STDIN_FILENO等属于系统API接口库，其声明为 int 型，是一个打开文件句柄，对应的函数为系统级调用。

关系

对于stdin等可以使用fileno()函数(用来取得参数stream指定的文件流所使用的文件描述符)来取得该文件流对应的文件描述符。
fileno(stdin) = STDIN_FILENO = 0
fileno(stdout) = STDOUT_FILENO = 1
fileno(stderr) = STDERR_FILENO = 2

open()

打开或创建文件，可指定文件属性，用户权限等参数

open.c

creat()

创建一个新文件

close()

关闭一个文件，当一进程终止时，所有打开的文件都由内核自动关闭

read()

将指定的文件描述符中读出的数据放到缓冲区，并返回实际读入的字节数

实际读到的字节数少于要求读到的字节数

1.文件已到末尾
2.从终端读，一次一行
3.从网络读，网络中缓冲机制
可能造成返回值小于要求字节数

write()