嵌入式学习——（Linux高级编程——IPC）

一、IPC 概述

进程间通信（Interprocess Communication，IPC）是指在不同进程之间进行数据交换和信息传递的机制。主要分为三大类：

1. 古老的通信方式：包括无名管道、有名管道和信号。
2. IPC 对象通信：如 System V、BSD、SUSE、Fedora 和 kernel.org 等系统中的消息队列、共享内存和信号量集等方式，但这里不讨论消息队列。
3. socket 通信：主要用于网络通信。

二、管道通信

1. 无名管道：

   • 只能用于有亲缘关系（父子进程或爷孙进程等）的进程通信。通过pipe函数创建，特性如下：
     • 有固定的读写端，pipefd[0]为固定读端，pipefd[1]为固定写端。
     • 流程包括创建并打开管道（pipe函数）、读写管道（使用文件 IO 的读写方式）和关闭管道。
     • 注意事项：无名管道的架设应该在fork之前进行，以确保子进程能继承管道的文件描述符。
   • 管道特性：
     • 半双工工作模式。
     • 是特殊的文件，不支持定位操作，读写使用文件 IO。
     • 出现读写阻塞属于正常现象，例如写端一直写超过 64K 会阻塞；读端存在但管道为空时读会阻塞；读端关闭写管道会出现管道破裂错误；写端关闭且管道无内容时，read返回 0。
   • 练习及验证问题：
     • 父子进程是否都有fd[0]和fd[1]，在单一进程中写fd[1]能否从fd[0]读到：可以，写fd[1]可以从fd[0]读。
     • 管道的数据存储方式：以队列形式存储，先进先出，读数据会剪切取走数据不会保留。
     • 管道的数据容量：操作系统建议值为 512 * 8 = 4K，代码测试实际值为 65536 byte = 64K。
     • 管道的同步效果验证：读端关闭不能写，会出现SIGPIPE异常终止；写端关闭能读，但取决于管道有没有内容，若没有内容read返回 0 且不阻塞。固定的读写端不能互换，不能写fd[0]或读fd[1]。
     • 练习双向通信：通过pipe和fork，在父子进程中分别进行读写操作实现双向通信。

2. 有名管道（FIFO）：

   • 有文件名称的管道，在文件系统中可见，可以给任意单机进程通信。框架包括创建有名管道、打开有名管道、读写管道、关闭管道和卸载有名管道。
   • 创建：使用mkfifo函数，在指定路径和名称下创建一个权限为指定模式的有名管道文件。
   • 打开：注意打开方式，因为管道是半双工模式，打开方式决定当前进程的读写方式。一般以O_RDONLY或O_WRONLY方式打开，不能以O_RDWR方式打开，也不能有O_CREAT选项，因为创建管道有指定的mkfifo函数。
   • 读写：使用文件 IO 进行读写操作。
   • 关闭：使用close函数关闭管道文件描述符。
   • 卸载：使用remove函数（unlink函数）将有名管道文件卸载并从文件系统中删除。
   • 练习：编写非亲缘关系进程间通信程序，实现 A 程序向 B 程序连续发送不同数据并在 B 程序中打印输出，当双方收到quit时程序全部退出。思考题是关于有名管道的创建和维护工具的思考。

三、信号通信

1. 应用于异步通信，如中断处理等。信号编号为 1 到 64，其中 32 个有具体含义的信号可供应用编程。信号的默认响应有以下几种：

   • Term：默认终止进程。
   • Ign：默认忽略信号。
   • Core：默认终止进程并转储核心（core文件）。
   • Stop：默认停止进程。
   • Cont：默认如果进程当前停止则继续进程。

2. 发送端：

   • kill函数可以给指定进程发送特定信号，int kill(pid_t pid, int sig);，参数为接收信号的进程 ID 和要发送的信号编号。
   • raise函数相当于给自身进程发送信号，int raise(int sig) == kill(getpid(), int sig);。
   • alarm函数定时由系统给当前进程发送信号，也称为闹钟函数，unsigned int alarm(unsigned int seconds);，闹钟只有一个且定时只有一次有效。
   • pause函数使进程暂停，直到收到其他信号才继续执行。

3. 接收端：

   • 每个进程对信号有默认响应，但不是唯一响应，一般有默认处理、忽略处理和自定义处理三种方式，通过signal函数实现信号注册，sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);，其中handler可以是SIG_DFL（默认处理）、SIG_IGN（忽略处理）或自定义函数指针。但信号 9 和 19 不能被忽略也不能被自定义。
   • 自定义信号处理：
     • 必须事先定义自定义函数，格式为void fun(int sig)，其中sig是接收到的信号编号。
     • 信号 10（SIGUSR1）和 12（SIGUSR2）是专门预留给程序员使用的未定义信号。

练习题包括编写自己的kill程序、测试所有 32 个系统信号是否能全部被忽略、编写信号处理函数处理自定义信号 10 和 12、验证信号的反复注册后信号处理流程等。