Linux应用开发【第四章】Linux进程间通信应用开发

4 Linux进程间通信应用开发 4.1 初识进程

​ 在日常工作/学习中，读者可能会经常听到如下一些词：“作业”，“任务”，“开了几个线程”，“创建了几个进程”，“多线程”，“多进程”等等。如果系统学习过《操作系统》这门课程，相信大家对这些概念都十分了解。但对很多电子、电气工程专业（或是其他非计算机专业）的同学来说，由于这门课程不是必修课程，我们脑海中可能就不会有这些概念，听到这些概念的时候就会不知所云，不过没有关系，先让我们克服对这些概念的恐惧。比如小时候刚开始学习数学的时候，先从正整数/自然数开始学习，然后逐步接触到分数、小数、负数、有理数、无理数、实数，再到复数等等。这些操作系统中的概念也是这样，让我们从初级阶段开始学起，逐步攻克这些新概念背后的真正含义。

​ 本篇主要讨论linux进程间通信方式，这个主题拆分开始来看，分为三个部分：linux(操作系统)、进程、进程间通信。Linux操作系统本篇暂且不谈，我们主要来关注后两个部分：进程，以及进程间通信。在探讨进程间通信之前，让我们先关注一个知识点概念----进程。

4.1.1 进程的概念 4.1.1.1 程序

​ 在探讨进程之前，先思考一个问题：什么是程序？

​ 嵌入式软件工程师每天的工作/学习内容就是看C/C++源代码、分析C/C++源代码、编写C/C++源代码（有人会说，应该还有最重要的调试程序，我每天的工作日常是三分写程序，七分调试程序，调试程序去哪里了，大家别着急，这里先卖一个关子）。这些独立的源代码就是一个个程序。它们有一个共同特点，在我们阅读、分析、编写的过程中，此刻都是静态的，它们存储在我们的硬盘上、公司的服务器上。

​ 程序：存储在磁盘上的指令和数据的有序集合。如下就是一个程序，此刻它正安静地躺在硬盘上。

01 #include 
02
03 int main(int argc, char *argv[])
04{
05	printf("hello world!\n");
06	return 0;
07}

4.1.1.2 进程

​ 有了上面程序的概念，先直接给出进程的定义。

​ 进程：具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。它是动态的，包括创建、调度、执行和消亡（由操作系统完成的）。

​ 定义中的每个词分开来我们都能理解，但是组合到一起成为一个句子时，我们又不知道什么意思了。图灵奖得主Pascal之父尼古拉斯·沃斯，提出过一个著名的公式：程序=算法+数据结构。所谓算法就是解决一个问题的方法，程序就是使用算法对特定数据进行处理，这些数据是一个广义上的概念，不单单指像1,2,3,…等等这样的数据。因此用更直白的语言来说，程序开始运行，对数据进行分析处理的过程就是一个进程。

4.1.1.3 进程和程序的联系

1. 程序是产生进程的基础。

2. 程序的每次执行构成不同的进程。

3. 进程是程序功能的体现（还记得之前提到的程序员日常工作中的一个重要事项----调试程序吗？调试的过程实际上就是程序的执行，就是本次程序功能的体现，因此这个时候它就是一个进程）。

4. 通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包含多个程序。

4.1.1.4 进程和程序的区别 程序进程状态静态的，是有序代码的集合动态的，是程序功能的执行过程生命期永久的，长久保存在存储设备上暂时的，一个程序执行结束，则它对应的进程结束

下图反应了从程序到进程的变化过程。

我们以一个生活中的例子来加深对进程和程序的理解：

1.有一位计算机科学家，他的女儿要过生日了，他准备给女儿做一个生日蛋糕，于是他去找了一本菜谱，跟着菜谱学习做蛋糕。

菜谱=程序  科学家=CPU  做蛋糕的原材料=数据  做蛋糕的过程=进程

2.科学家正在做蛋糕的时候，突然他的小儿子跑过来，说他的手被扎破了，于是科学家又去找了一本医疗手册，给小儿子处理伤口，处理完伤口之后，继续做生日蛋糕

医疗手册=新程序  给小儿子处理伤口=新进程

从做蛋糕切换到优先包扎伤口=进程切换  处理完伤口继续做生日蛋糕=进程恢复

​ 介绍到这里，希望读者对进程已经建立起一些基础概念了，有关进程的深入部分，我们在这里暂且先不介绍，比如进程的组成包括哪些（代码段，用户数据段，系统数据段）？进程的类型有哪些？进程的状态有哪些等等？这些深入内容，在我们掌握了进程的基础知识之后，读者有兴趣的话，可以查阅相关书籍资料。

4.1.2 进程的操作（创建、结束、回收） 4.1.2.1 创建进程

使用fork函数来创建一个进程
头文件: #include 
函数原型: pid_t fork(void);
返回值: 成功时，父进程返回子进程的进程号(>0的非零整数)，子进程中返回0;通过fork函数的返回值区分父子进程。
父进程: 执行fork函数的进程。
子进程: 父进程调用fork函数之后，生成的新进程。

​ 请重点注意：这个函数的返回值和我们接触的绝大部分函数的返回值不一样。

​ 一般地，一个函数的返回值只有一个值，但是该函数的返回值却有两个。实际上关于这个函数的返回值究竟有几个，可以换一种方式来理解，因为这个函数执行之后，系统中会存在两个进程----父进程和子进程，在每个进程中都返回了一个值，所以给用户的感觉就是返回了两个值。

进程的特点：

1. 在linux中，一个进程必须是另外一个进程的子进程，或者说一个进程必须有父进程，但是可以没有子进程。

2. 子进程继承了父进程的内容，包括父进程的代码，变量，pcb，甚至包括当前PC值。在父进程中，PC值指向当前fork函数的下一条指令地址，因此子进程也是从fork函数的下一条指令开始执行。父子进程的执行顺序是不确定的，可能子进程先执行，也可能父进程先执行，取决于当前系统的调度。

3. 父子进程有独立的地址空间、独立的代码空间，互不影响，就算父子进程有同名的全局变量，但是由于它们处在不同的地址空间，因此不能共享。

4. 子进程结束之后，必须由它的父进程回收它的一切资源，否则就会成为僵尸进程。

5. 如果父进程先结束，子进程会成为孤儿进程，它会被INIT进程收养，INIT进程是内核启动之后，首先被创建的进程。

Tips：

​ 在linux下，当我们不熟悉某个系统接口API函数时（比如不知道调用这个函数需要包含的头文件，不知道这个函数的每个参数的意义等等），我们可以在ubuntu下使用man命令来查看这个函数的说明。

示例程序（参考：jz2440\process\1th_create_process\create_process.c）

01 /**********************************************************************
02  * 功能描述： 创建一个子进程
03  * 输入参数： 无
04  * 输出参数： 无
05  * 返 回 值： 无
06  * 修改日期        版本号     修改人          修改内容
07  * -----------------------------------------------
08  * 2020/05/16       V1.0      zh(ryan)        创建
09  ***********************************************************************/
10 
11 #include 
12 #include 
13 #include 
14 #include 
15 
16 int main(int argc, char *argv[])
17 {
18     pid_t pid;
19 
20     pid = fork();  // 创建子进程
21 
22     if (pid == 0) {  // 子进程
23         int i = 0;
24         for (i = 0; i  0) {  // 父进程
31         int i = 0;
32         for (i = 0; i  0) { //父进程
26 		pid = waitpid(pid, &status, 0);
27 		printf("status=0x%x\n", status);
28 	} else {
29 		perror("fork\n");
30 	}
31 
32 	return 0;
33 }

JZ2440实验

• 编译

arm-linux-gcc exit_wait.c -o exit_wait

• 拷贝到NFS

cp exit_wait /work/nfs_root/first_fs

• 运行

./exit_wait

运行结果

4.2 进程为什么需要通信

​ 先让我们看如下两个简单的程序，这两个程序中都有一个同名全局变量“global”，唯一的区别是这个全局变量的初始值不同。说明：以下两个示例程序是为了让我们理解进程的一个特点，因此实验环境是Ubuntu虚拟机。

程序1：

01 #include 
02 int global = 1;
03
04 void delay(void)
05 {
06 	unsigned int a = 1000000;
07 	while(a--);
08 }
09
10 int main(int argc, char *argv[])
11 {
12 	while (1) {
13 		printf("global=%d\n", global);
14 		delay();
15 	}
16 	return 0;
17 }

程序2：

01 #include 
02 int global = 2;
03
04 void delay(void)
05 {
06 	unsigned int a = 1000000;
07 	while(a--);
08 }
09
10 int main(int argc, char *argv[])
11 {
12 	while (1) {
13 		printf("global=%d\n", global);
14 		delay();
15 	}
16 	return 0;
17 }

两个程序的唯一区别如下红框所示：

• 编译程序

gcc test1.c -o test1
gcc test2.c -o test2

• 运行程序

./test1
./test2

程序1运行结果

程序2运行结果

​ 我们发现，两个程序运行之后，当前进程中的全局变量global的值并不会改变，它不会被改变成另外一个进程中的值，由此引出的进程的一个特点：**进程资源的唯一性，不共享性，它不能访问别的进程中的数据(地址空间)，也不能被别的进程访问本身的数据(地址空间)。**每个进程对其他进程而言，就是一个黑盒(后面读者学习到线程的时候，会发现在这个特性上，线程是有别于进程的)。

​ 那么为什么会这样呢？这是因为操作系统为了保证系统的安全（进程A奔溃不会影响进程B，进程B仍然会继续运行），它会为每个进程分配特定的地址空间，每个进程只能在这个特定的地址空间执行指令、访问数据，如下图所示。程序需要访问某个变量时，都是通过变量地址去访问该变量的，在不同的进程中，同名变量对应不同的地址(处在当前进程地址空间范围内)，进程无法访问分配给它的地址范围之外的地址空间，自然就无法获得其他进程中的变量值。

​ 进程间为何需要通信呢？从上面的两个示例程序中，可以得知：不同进程之间无法互相访问对方的地址空间。但是在我们实际的项目开发中，为了实现各种各样的功能，不同进程之间一定需要数据交互，那么我们应该如何实现进程间数据交互呢？这就是进程间通信的目的：实现不同进程之间的数据交互。

​ 在linux下，内存空间被划分为用户空间和内核空间，应用程序开发人员开发的应用程序都存在于用户空间，绝大部分进程都处在用户空间；驱动程序开发人员开发的驱动程序都存在于内核空间。

​ 在用户空间，不同进程不能互相访问对方的资源，因此，在用户空间是无法实现进程间通信的。为了实现进程间通信，必须在内核空间，由内核提供相应的接口来实现，linux系统提供了如下四种进程通信方式。

进程间通信方式分类管道通信无名管道、有名管道IPC通信共享内存、消息队列、信号灯信号通信信号发送、接收、处理socket通信本地socket通信，远程socket通信

​ linux有一个最基本的思想----“一切皆文件”，内核中实现进程间通信也是基于文件读写思想。不同进程通过操作内核里的同一个内核对象来实现进程间通信，如下图所示，这个内核对象可以是管道、共享内存、消息队列、信号灯、信号，以及socket。

4.3 进程通信之管道通信

管道分为无名管道和有名管道，其特点如下

类型特点无名管道在文件系统中没有文件节点，只能用于具有亲缘关系的进程间通信(比如父子进程)有名管道在文件系统中有文件节点，适用于在同一系统中的任意两个进程间通信 4.3.1 无名管道 4.3.1.1 特点

​ 无名管道实际上就是一个单向队列，在一端进行读操作，在另一端进行写操作，所以需要两个文件描述符，描述符fd[0]指向读端，fd[1]指向写端。它是一个特殊的文件，所以无法使用简单open函数创建，我们需要pipe函数来创建。它只能用于具有亲缘关系的两个进程间通信。

4.3.1.2 创建无名管道

1.头文件#include 

2.函数原型: int pipe(int fd[2])

3.参数: 管道文件描述符，有两个文件描述符，分别是fd[0]和fd[1]，管道有一个读端fd[0]和一个写端fd[1]

4.返回值： 0表示成功；1表示失败

4.3.1.3 读、写、关闭管道

1.读管道 read，读管道对应的文件描述符是fd[0]

2.写管道 write，写管道对应的文件描述符是fd[1]

3.关闭管道 close，因为创建管道时，会同时创建两个管道文件描述符，分别是读管道文件描述符fd[0]和写管道文件描述符fd[1]，因此需要关闭两个文件描述符

4.3.1.4 无名管道实现进程间通信

程序示例1

（参考：jz2440\process_pipe\1th_write_pipe\my_pipe_write.c）

01 /**********************************************************************
02  * 功能描述： 创建一个管道，并向管道中写入字符串，然后从管道中读取，验证
03               能否读取之前写入的字符串
04  * 输入参数： 无
05  * 输出参数： 无
06  * 返 回 值： 无
07  * 修改日期        版本号     修改人          修改内容
08  * -----------------------------------------------
09  * 2020/05/16       V1.0      zh(ryan)        创建
10  ***********************************************************************/
11 #include 
12 #include 
13 #include 
14 
15 int main(int argc, char *argv[])
16 {
17     int fd[2];
18     int ret = 0;
19     char write_buf[] = "Hello linux";
20     char read_buf[128] = {0};
21     
22     ret = pipe(fd);
23     if (ret