linux环境编程(3): 使用POSIX IPC完成进程间通信

1. 写在前面

之前的文章总结了使用管道进行进程间通信的方法，除了pipe和fifo，Linux内核还为我们提供了其他更高级的IPC方式，包括共享内存，消息队列，信号量等，本篇文章会通过一个具有完整逻辑功能的示例说明如何使用这些IPC方法。毕竟单纯地查手册，写代码...周而复始，这个过程还是比较枯燥的，而且并没有哪个IPC方法能解决所有的进程间通信问题，每种方法都不是孤立存在的，通过一个小例子把它们串联起来，是一种更好的学习方式。下文中的代码实现可以参考我的代码仓库。

2. POSIX IPC概述

进程间通信，主要解决两个问题，即数据传递和同步。POSIX IPC提供了下面三种方法：

消息队列
共享内存
信号量

操作系统中运行的进程，彼此之间是隔离的，要想实现通信，就必须有一个媒介，是通信双方都可以访问到的。从这个角度看，操作系统内核正是每个进程都可以访问到的那个媒介，就像一个"全局变量"。消息队列不过是内核维护的一个队列，保存了用户进程发送来的消息，其他进程可以从队列中取走消息，每个消息可以设置优先级，进程发送和接收消息的行为可以是阻塞或者非阻塞的，这一点类似管道；共享内存就是利用了虚拟地址空间以及物理地址空间，让不同进程的虚拟地址映射到同一个物理页面上，这样就实现了共享，对于映射的地址空间可以设定可读，可写以及可执行的标志；信号量就像一个内核中的整型变量，这个变量的数值记录了某种资源的数量，进程可以对它进行加减操作，合理使用的话就能完成想要的进程之间的同步逻辑。可以看到，这三种IPC方法在内核中都对应了一种数据结构，为了能够让用户进程访问到这些数据结构，POSIX IPC延续了“一切皆文件”的设计思路，我们可以用类似“/somename”这种形式的文件名去创建或者打开这些IPC对象，然后对它们进行各种操作，和文件的访问权限类似，进程操作IPC对象时也会进行权限检查。可能上面对三种POSIX IPC的描述存在不严谨的地方，但对于使用者来说，我们只要在脑子里建立一个合适的，能够描述它们工作方式的模型就可以了，而不是不断重复手册中对每个api的叙述。下面的表格列出了常用的POSIX IPC api：

	消息队列	共享内存	信号量
打开	mq_open	shm_open	sem_open
关闭	mq_close	shm_close	sem_close
操作	mq_send/mq_receive	内存读写	sem_wait/sem_post
删除	mq_unlink	shm_unlink	sem_unlink

3. POSIX IPC使用

3.1 项目功能说明

下面将使用三种POSIX IPC实现一个简单的项目，用来记录IPC的使用方法。项目包含一个server进程和若干个client进程，他们各自的功能如下：

server进程
- 首先运行，等待client的连接到来；
- 收到client的连接，fork出一个新的进程去处理client的请求；
client进程
- 可以同时运行多个；
- 启动时和server建立连接，连接建立完成之后，接受用于输入，向server发起请求；
- 可以完成主动断开连接，终止server进程，以及其他操作；

首先启动server进程，然后启动多个client进程向server发送请求，项目实现之后的效果如下：

3.2 项目实现原理

client如何和server建立连接？

client进程和server进程都可以访问一段共享内存，当server进程启动时，会对这段共享内存进行初始化，初始化完成之后，server对信号量A执行post操作，表明共享内存准备完毕，之后server进程就通过信号量B等待新连接的建立；当有新的client进程想建立连接时，会先通过对信号量A执行wait操作，等待共享内存可用，如果可用，client会把请求参数写到共享内存之中，写入完成后会对信号量B执行post操作，通知server进程有新的连接已经建立。
client建立连接之后如何发送请求？

client通过两个消息队列实现发送请求和接收响应。在client建立连接时，会在共享内存中写入用于和server通信的两个消息队列的名字，server在处理连接时会打开消息队列，然后和client进行通信。对于每个新建立的连接，server会fork出一个新的进程去处理该连接对应的client发送来的请求。
client如何通过发送请求关闭server？

client通过向请求消息队列中写入kill_server请求，可以实现关闭server。当server进程fork出的进程从消息队列中读到kill_server请求，该进程会通过管道写入数据，通知server的主进程结束运行。
server和client之间的时序关系：

通过前面3点的描述可以看出，这个简单的项目几乎用到了全部常用的IPC方法，下面这个时序图更直观地说明了其工作原理：

server和client之间的同步操作主要集中在步骤6,7,8,9。当server准备好共享内存之后，通过第6步的信号量A通知client可以建立连接了，之后client向共享内存写入数据，再操作第9步的信号量B通知server连接数据已经写入，最后server会创建子进程去处理client的请求。实际上server的主进程是一个循环，处理请求都是在server的子进程中完成的，以上内容说明了server主进程在循环中完成的工作。
资源清理

当我们使用POSIX IPC时，内核会建立相应的数据结构，并且通过文件系统接口展示给用户，但IPC资源不能无限创建，当我们的程序运行结束之后应该清理自己用到的IPC资源。运行程序时创建的POSIX IPC对象可以在/dev/shm以及/dev/mqueue下查看，程序结束之后，server和client会释放掉自己创建的IPC资源。所以，要查看server和client创建的共享内存，信号量以及消息队列，需要在程序运行期间查看上述的两个目录。

3.3 主要代码功能

消息格式：

server和client之间通过消息队列传递请求和响应数据，消息队列中消息格式定义如下：

struct msgbuf {

    int type;

    union {

        struct {

            int a;

            int b;

        } request_add;

        struct {

            int c;

        } response_add;

        struct {

            int disconect;

        } request_disconnect;

        struct {

            int kill_server;

        } request_kill_server;

    } data;

};

server主进程：

int main(int argc, char **argv) {

    int err = server_init();

    if (err) {

        log_warning("server_init failed\n");

        return -1;

    }

    server_start();

    server_shutdown();

    return 0;

}

其中，在server_init中，server会创建需要使用的共享内存，信号量以及管道。

int server_init() {

    memset(&ipc_server, 0, sizeof(ipc_server));

    // shared memory init

    ipc_server.conn_buf_fd =

        shm_open(CONNECTION_SHM, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);

    ...

    if (ftruncate(ipc_server.conn_buf_fd, CONNECTION_SHM_SIZE) < 0) {

        log_warning("server failed ftruncate\n");

        return -1;

    }

    ipc_server.conn_buf = (struct connection *)mmap(

        NULL, CONNECTION_SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,

        ipc_server.conn_buf_fd, 0);

    ...

    memset(ipc_server.conn_buf, 0, CONNECTION_SHM_SIZE);

    ipc_server.conn_buf_ready =

        sem_open(CONNECTION_BUF_SEM, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, 0);

    ...

    ipc_server.conn_new_ready =

        sem_open(CONNECTION_NEW_SEM, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, 0);

    ...

    // pipe init

    int pipefd[2];

    if (pipe2(ipc_server.pipefd, O_NONBLOCK)) {

        log_warning("server failed pipe2\n");

        return -1;

    }

    log_info("server init done\n");

    return 0;

}

在server_start中会循环处理来自client的连接。

void server_start() {

    int err = sem_post(ipc_server.conn_buf_ready);

    ...

    struct connection conn;

    int stop = 0;

    while (!stop) {

        // handle new connection

        sem_wait(ipc_server.conn_new_ready);

        if (read(ipc_server.pipefd[0], &stop, sizeof(int)) <= 0)

            stop = 0;

        if (ipc_server.conn_buf->valid) {

            log_info("new connection established\n");

            memcpy(&conn, ipc_server.conn_buf, sizeof(conn));

            handle_connection(&conn);

            memset(ipc_server.conn_buf, 0, sizeof(struct connection));

            sem_post(ipc_server.conn_buf_ready);

        }

    }

}

当server主进程退出之后，server_shutdown会清理IPC资源。

client进程：

client启动之后，首先会尝试和server建立连接，建立连接之后会循环处理用户输入，通过消息队列向server的服务进程发送请求。

int main(int argc, char **argv) {

    if (build_connection()) {

        log_info("client failed build_connection\n");

        return -1;

    }

    handle_command();

    cleanup();

    log_info("client %d exit\n", getpid());

    return 0;

}

client建立连接的过程如下：建立连接时client需要等待共享内存可用，并且在写入连接数据之后通知server，这些同步操作都是通过信号量实现的。

int build_connection() {

    ...

    connection.mqreq_fd =

        mq_open(connection.mqreq, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, &attr);

    connection.mqrsp_fd =

        mq_open(connection.mqrsp, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, &attr);

    ...

    // open and map shared memory

    int fd = shm_open(CONNECTION_SHM, O_RDWR, 0);

    void *conn_buf = mmap(NULL, CONNECTION_SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE,

                        MAP_SHARED, fd, 0);

    // write connection to conn_buf, notify server new conncection is comming

    sem_t *conn_buf_ready = sem_open(CONNECTION_BUF_SEM, O_RDWR);

    sem_t *conn_new_ready = sem_open(CONNECTION_NEW_SEM, O_RDWR);

    ...

    sem_wait(conn_buf_ready);

    connection.valid = 1;

    memcpy(conn_buf, &connection, sizeof(connection));

    sem_post(conn_new_ready);

    ...

    return 0;

}

写在最后

通过一个包含server和client的代码示例，说明了POSIX IPC中共享内存，消息队列以及信号量的使用方法。具体实现可以参考我的代码仓库。

巴特西