Linux IPC总结（全）

System V IPC

    System V IPC指的是AT&T在System V.2发行版中引入的三种进程间通信工具:(1)信号量，用来管理对共享资源的访问 (2)共享内存，用来高效地实现进程间的数据共享 (3)消息队列，用来实现进程间数据的传递。我们把这三种工具统称为System V IPC的对象，每个对象都具有一个唯一的IPC标识符(identifier)。要保证不同的进程能够获取同一个IPC对象，必须提供一个IPC关键字(IPC key)，内核负责把IPC关键字转换成IPC标识符。   

    System V IPC具有相似的语法，一般操作如下:

    (1)选择IPC关键字，可以使用如下三种方式:

       a)IPC_PRIVATE。由内核负责选择一个关键字然后生成一个IPC对象并把IPC标识符直接传递给另一个进程。
       b)直接选择一个关键字。
       c)使用ftok()函数生成一个关键字。

    (2)使用semget()/shmget()/msgget()函数根据IPC关键字key和一个标志flag创建或访问IPC对象。如果key是IPC_PRIVATE;或者key尚未与已经存在的IPC对象相关联且flag中包含IPC_CREAT标志，那么就会创建一个全新的IPC对象。

    (3)使用semctl()/shmctl()/msgctl()函数修改IPC对象的属性。

    (4)使用semctl()/shmctl()/msgctl()函数和IPC_RMID标志销毁IPC实例。

    System V IPC为每个IPC对象设置了一个ipc_perm结构体并在创建IPC对象的时候进行初始化。这个结构体中定义了IPC对象的访问权限和所有者:

    struct ipc_perm{
       uid_t uid;   //所有者的用户id
       gid_t gid;   //所有者的组id
       uid_t cuid;  //创建者的用户id
       gid_t cgid;  //创建者的组id
       mode_t mode; //访问模式
       …
    };

    shell中管理IPC对象的命令是ipcs、ipcmk和ipcrm。

1、信号量(Semaphores)

    System V的信号量集表示的是一个或多个信号量的集合。内核为每个信号量集维护一个semid_ds数据结构，而信号量集中的每个信号量使用一个无名结构体表示，这个结构体至少包含以下成员:
    struct{
        unsigned short semval;//信号量值，总是>=0
        pid_t sempid;  //上一次操作的pid
       …
    };

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/sem.h>
    (1)创建或访问信号量
        * int semget(key_t key,int nsems,int flag);
    nsems指定信号量集中信号量的个数，如果只是获取信号量集的标识符(而非新建)，那么nsems可以为0。flag的低9位作为信号量的访问权限位，类似于文件的访问权限;如果flag中同时指定了IPC_CREAT和IPC_EXCL，那么如果key已与现存IPC对象想关联的话，函数将会返回EEXIST错误。例如，flag可以为IPC_CREAT|0666。

    (2)控制信号量集
        * int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);
    对semid信号量集合执行cmd操作;cmd常用的两个值是:SETVAL初始化第semnum个信号量的值为arg.val;IPC_RMID删除信号量。

    (3)对一个或多个信号量进行操作
        * int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);
        * struct sembuf{
              unsigned short sem_num;  //信号量索引
              short   sem_op;     //对信号量进行的操作，常用的两个值为-1和+1，分别代表P、V操作
              short   sem_flag;   //比较重要的值是SEM_UNDO:当进程结束时，相应的操作将被取消；同时，如果进程结束时没有释放资源的话，系统会自动释放
           };

2、共享内存

    共享内存允许两个或多个进程共享一定的存储区，因为不需要拷贝数据，所以这是最快的一种IPC。

    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    (1)创建或访问共享内存
        * int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);

    (2)附加共享内存到进程的地址空间
        * void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);//shmaddr通常为NULL，由系统选择共享内存附加的地址;shmflg可以为SHM_RDONLY

    (3)从进程的地址空间分离共享内存
        * int shmdt(const void *shmaddr); //shmaddr是shmat()函数的返回值

    (4)控制共享内存
        * int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
        * struct shmid_ds{
              struct ipc_perm shm_perm;
              …
          };
    cmd的常用取值有:(a)IPC_STAT获取当前共享内存的shmid_ds结构并保存在buf中(2)IPC_SET使用buf中的值设置当前共享内存的shmid_ds结构(3)IPC_RMID删除当前共享内存

3、消息队列

    消息队列保存在内核中，是一个由消息组成的链表。

    #include <sys/types.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/msg.h>
    (1)创建或访问消息队列
    * int msgget(key_t key,int msgflg);

    (2)操作消息队列
        * int msgsnd(int msqid,const void *msg,size_t nbytes,int msgflg);
    msg指向的结构体必须以一个long int成员开头，作为msgrcv()的消息类型，必须大于0。nbytes指的是msg指向结构体的大小，但不包括long int部分的大小
        * ssize_t msgrcv(int msqid,void *msg,size_t nbytes,long msgtype,int msgflg);
    如果msgtype是0，就返回消息队列中的第一个消息;如果是正整数，就返回队列中的第一个该类型的消息;如果是负数，就返回队列中具有最小值的第一个消息，并且该最小值要小于等于msgtype的绝对值。

    (3)控制消息队列
        * int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);
        * struct msqid_ds{
              struct ipc_perm msg_perm;
              …
           };

Socket
　　套接字(Socket)是由Berkeley在BSD系统中引入的一种基于连接的IPC，是对网络接口(硬件)和网络协议(软件)的抽象。它既解决了无名管道只能在相关进程间单向通信的问题，又解决了网络上不同主机之间无法通信的问题。

　　套接字有三个属性:域(domain)、类型(type)和协议(protocol)，对应于不同的域，套接字还有一个地址(address)来作为它的名字。

　　域(domain)指定了套接字通信所用到的协议族，最常用的域是AF_INET，代表网络套接字，底层协议是IP协议。对于网络套接字，由于服务器端有可能会提供多种服务，客户端需要使用IP端口号来指定特定的服务。AF_UNIX代表本地套接字，使用Unix/Linux文件系统实现。

　　IP协议提供了两种通信手段:流(streams)和数据报(datagrams)，对应的套接字类型(type)分别为流式套接字和数据报套接字。流式套接字(SOCK_STREAM)用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字使用TCP协议。数据报套接字(SOCK_DGRAM)提供了一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP协议。

　　一种类型的套接字可能可以使用多于一种的协议来实现，套接字的协议(protocol)属性用于指定一种特定的协议。

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

　　(1) 创建套接字

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int socket(int domain,int type,int protocol);  

　　对于SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM而言，分别只有一种协议支持这种类型的套接字。因此protocol可以为0，表示默认的协议。
　　每种套接字域都有一种对应的套接字地址。对于AF_UNIX和AF_INET，套接字地址分别为sockaddr_un和sockaddr_in，位于<sys/un.h>和<sys/in.h>中:

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struct sockaddr_un{ 
    sa_family_t sun_family; //AF_UNIX
    char sun_path[];    //pathname
};
 
struct sockaddr_in{ 
    short int sin_family; //AF_INET 
    unsigned short int sin_port; 
    struct in_addr sin_addr;
    //...  
};
 
struct in_addr{ 
    unsigned long int s_addr;//可以使用inet_addr()把IP地址字符串转换成
		//  网络字节序(network byte order,使用大端模式)的二进制数据
};  

　　(2) 命名套接字

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int bind(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);//将无名套接字sockfd与addr绑定(bind)  

　　(3) 监听套接字

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int listen(int sockfd,int backlog);//backlog限定了等待服务的队列的最大长度  

　　(4) 等待接受连接

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int accept(int sockfd,struct sockaddr *addr,socklen_t *addrlen);  

　　当客户端程序尝试连接sockfd套接字时，accept返回一个新的套接字与客户端进行通信。如果addr不是NULL，那么客户端的地址将会保存在addr所指向的结构体中；调用accept()前必须先将addrlen初始化为addr所指向结构体的大小，accept()返回以后,addrlen将会被设置成客户端套接字地址结构体的实际大小。然后，通过对accept()返回的套接字执行read()和write()操作即可实现与客户端的简单的通信。

　　(5) 建立连接(客户端)

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int connect(int sockfd,const struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);  

　　connect()在无名套接字sockfd和addr之间建立连接。addr指向的结构体中可以包含服务器的IP地址和端口号等信息。

　　(6) 数据传输

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ssize_t send(int sockfd,const void *buf,size_t len,int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len,int flags);  

　　(7) 关闭套接字

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int close(int fd);  

　　(8) 主机字节序和网络字节序的转换

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#include <netinet/in.h>
unsigned long int htonl(unsigned long int hostlong);  //host to network,long
unsigned short int htons(unsigned short int hostshort);
unsigned long int ntohl(unsigned long int netlong);
unsigned short int ntohs(unsigned short int netshort);  

　　long型函数用来转换sockaddr_in.in_addr.s_addr；short型函数用来转换sockaddr_in.sin_port。