额滴笔记

Appearance

IPC 通信 ​

IPC: Internal Process Communication 进程间通信
实质: 信息（数据）的交换（通信）

进程间无法直接共享内存空间（地址空间独立），需通过共享介质实现通信：

  1. 文件: 可支持通信但速度慢
  2. 内核空间: 操作系统内核开辟共享区域（高效）

IPC 方式 ​

类型具体实现
管道pipe（无名管道）、fifo（有名管道）
信号signal
信号量System V 信号量、POSIX 信号量
共享内存System V 共享内存、POSIX 共享内存
SocketUnix 域协议
消息队列System V 消息队列、POSIX 消息队列

管道 ​

无名管道 (pipe) ​

特点:

  • 无文件名（无 inode），内容存于内核
  • 两端分离：读端 (fd[0]) 和写端 (fd[1])
  • 顺序读写，不支持 lseek
  • 内容读后即消失
  • 生命周期：随内核持续

API:

c
#include <unistd.h>  
int pipe(int pipefd[2]);  
/*  
@描述: 创建无名管道  
@pipefd:  
   pipefd[0] - 读端文件描述符  
   pipefd[1] - 写端文件描述符  
@return: 成功返回0，失败返回-1（errno被设置）  
*/

注意: 关闭时先关写端再关读端。
限制: 仅用于有血缘关系的进程间通信（无文件名）。

有名管道 (fifo) ​

特点:

  • 文件系统中有文件名（含 inode）
  • 内容存于内核
  • 生命周期:
    • 文件名随文件系统持续
    • 内容随内核持续

API:

c
#include <sys/stat.h>  
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);  
/*  
@描述: 创建有名管道文件  
@pathname: 管道文件名  
@mode: 权限（如 0664）  
@return: 成功返回0，失败返回-1（errno被设置）  
*/

关键机制:

  • 需同时打开读写两端才能传递数据
  • 阻塞模式（默认）:
    • 读空管道时 read 阻塞
    • 写满管道时 write 阻塞
  • 非阻塞模式（O_NONBLOCK）:
    • 读空管道立即返回错误
    • 写满管道立即返回错误

信号 (Signal) ​

作用: 内核传递整数信号值（无数据传输），不同值代表不同含义。

常见信号 ​

信号值默认行为触发场景
SIGHUP1Term控制终端挂起或控制进程死亡
SIGINT2Term键盘中断（Ctrl+C）
SIGQUIT3Core键盘退出（Ctrl+\）
SIGILL4Core非法指令
SIGABRT6Core调用 abort() 函数
SIGFPE8Core浮点运算异常
SIGKILL9Term强制杀死进程
SIGSEGV11Core非法内存访问
SIGPIPE13Term向无读端的管道写数据
SIGALRM14Termalarm() 超时
SIGTERM15Term终止信号
SIGUSR130Term用户自定义信号 1
SIGUSR231Term用户自定义信号 2
SIGCHLD20Ign子进程停止或终止

信号处理方式 ​

  1. 忽略: 不响应信号
  2. 默认行为: 操作系统预设处理（多数终止进程）
  3. 捕获: 绑定自定义处理函数

信号处理过程 ​

通过 软中断 实现：

  • 信号处理函数在 中断上下文 执行
  • 进程状态分 用户态（执行用户代码）和 内核态（执行内核代码）

信号 API ​

发送信号 ​
c
#include <signal.h>  
int kill(pid_t pid, int sig);  
/*  
@描述: 向指定进程发送信号  
@pid:  
  >0: 目标进程ID  
  =0: 同组所有进程  
  =-1: 所有有权限的进程  
  <-1: 组ID为 |pid| 的所有进程  
@sig: 信号值  
@return: 成功返回0，失败返回-1  
*/  

int raise(int sig);  // 等价于 kill(getpid(), sig)
捕获信号 ​
c
#include <signal.h>  
typedef void (*sighandler_t)(int);  
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);  
/*  
@描述: 绑定信号处理函数  
@signum: 信号值  
@handler:  
  自定义函数地址  
  SIG_IGN（忽略）  
  SIG_DFL（默认行为）  
@return: 成功返回旧处理函数指针，失败返回SIG_ERR  
*/
定时信号 ​
c
#include <unistd.h>  
unsigned int alarm(unsigned int seconds);  
/*  
@描述: 设置定时器（秒级）  
@seconds: 超时秒数  
@return: 剩余秒数（0表示无待处理闹钟）  
*/

注意: 同一进程只有一个有效闹钟。

等待信号 ​
c
#include <unistd.h>  
int pause(void);  // 阻塞直到收到信号

共享内存 ​

特点:

  • 多进程共享同一内存区域
  • 数据写入即时可见（无拷贝开销）
  • 生命周期：随内核持续

System V 共享内存流程 ​

  1. 生成 IPC Key:

    c
    #include <sys/ipc.h>  
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

  2. 创建/打开共享内存:

    c
    #include <sys/shm.h>  
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);  
/*  
@size: 共享内存大小（字节）  
@shmflg:  
   IPC_CREAT | 权限（如 0666） - 创建  
   0 - 打开  
@return: 共享内存 ID  
*/

  3. 映射共享内存:

    c
    void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);  
/*  
@shmaddr: 映射地址（通常为 NULL，由系统分配）  
@shmflg:  
   SHM_RDONLY - 只读  
   0 - 读写  
@return: 映射后的内存首地址  
*/

  4. 解映射:

    c
    int shmdt(const void *shmaddr);  // 解除映射

  5. 控制操作:

    c
    int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);  
/*  
@cmd:  
   IPC_RMID - 删除共享内存  
   ...  
*/

信号量机制 ​

竞争条件 (Race Condition) ​

问题: 多进程并发访问共享资源导致结果不可预测。
解决: 通过信号量实现 有序访问（互斥或同步）。

信号量核心概念 ​

  • 信号量值: 整数计数器，表示可用资源数量
    • 值=1：互斥信号量（一次只允许一个进程访问）
    • 值>1：计数信号量（允许多个进程同时访问）
  • 原子操作:
    • P 操作（wait）:
      c
      while (sem_value <= 0);  // 阻塞直到资源可用  
sem_value--;             // 占用资源
    • V 操作（signal）:
      c
      sem_value++;  // 释放资源

System V 信号量 API ​

  1. 创建/打开信号量集:

    c
    #include <sys/sem.h>  
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);  
/*  
@nsems: 信号量数量  
@semflg: IPC_CREAT | 权限  
@return: 信号量集 ID  
*/

  2. 控制信号量:

    c
    int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);  
/*  
@cmd:  
   GETVAL - 获取信号量值  
   SETVAL - 设置信号量值  
   IPC_RMID - 删除信号量集  
*/

  3. P/V 操作:

    c
    struct sembuf {  
    unsigned short sem_num;  // 信号量索引  
    short sem_op;            // 操作类型:  
                            //   >0: V操作（+sem_op）  
                            //   <0: P操作（-sem_op）  
                            //   =0: 尝试等待  
    short sem_flg;           // 标志:  
                            //   0 - 阻塞  
                            //   IPC_NOWAIT - 非阻塞  
                            //   SEM_UNDO - 进程退出时自动撤销操作  
};  
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

  4. 限时 P/V 操作:

    c
    int semtimedop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops,  
               const struct timespec *timeout);

作业：售票系统设计 ​

要求:

  • 5个售票窗口（进程）
  • 票信息从 "代售文件" 读取
  • 每售出一张票写入 "已售文件"

实现要点:

  1. 共享资源:
    • 票库存（共享内存）
    • 代售/已售文件（需信号量保护）
  2. 信号量应用:
    • 互斥信号量（值=1）保护文件读写操作
  3. 售票流程:
    c
    P(semid);                     // 获取信号量  
read_ticket_from_file();       // 读代售文件  
update_ticket_count();         // 更新库存  
write_sold_ticket_to_file();   // 写已售文件  
V(semid);                     // 释放信号量

知识如风，常伴吾身

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