《C進(jìn)程通信》課件

C進(jìn)程通信進(jìn)程是操作系統(tǒng)的基本執(zhí)行單元，每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的地址空間和資源。進(jìn)程間通信是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程之間交換數(shù)據(jù)的過程，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要手段。進(jìn)程概述獨(dú)立運(yùn)行的程序一個(gè)進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的最小單位，它是一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例，擁有獨(dú)立的地址空間和系統(tǒng)資源。執(zhí)行的程序進(jìn)程由程序代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源組成，程序是靜態(tài)的，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的，它是程序執(zhí)行時(shí)的狀態(tài)。多任務(wù)處理操作系統(tǒng)通過進(jìn)程管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行或并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)利用率。進(jìn)程的常用操作進(jìn)程創(chuàng)建使用系統(tǒng)調(diào)用`fork()`創(chuàng)建新的進(jìn)程，子進(jìn)程復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)存空間、文件描述符等信息。進(jìn)程終止使用系統(tǒng)調(diào)用`exit()`或`_exit()`終止當(dāng)前進(jìn)程，釋放資源，并返回狀態(tài)碼給父進(jìn)程。等待進(jìn)程使用系統(tǒng)調(diào)用`wait()`或`waitpid()`等待子進(jìn)程結(jié)束，并獲取子進(jìn)程的退出狀態(tài)碼。進(jìn)程信號(hào)使用系統(tǒng)調(diào)用`kill()`發(fā)送信號(hào)給進(jìn)程，例如`SIGTERM`信號(hào)用來請(qǐng)求進(jìn)程正常終止。進(jìn)程通信的必要性資源共享多個(gè)進(jìn)程需要訪問同一資源，例如共享文件或數(shù)據(jù)庫(kù)。信息傳遞不同進(jìn)程之間需要交換數(shù)據(jù)，例如用戶登錄信息或系統(tǒng)狀態(tài)。協(xié)同工作多個(gè)進(jìn)程需要協(xié)同工作，例如共同完成一個(gè)任務(wù)或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。效率提升通過進(jìn)程通信，可以有效地利用系統(tǒng)資源，提高程序的執(zhí)行效率。進(jìn)程通信的方式11.管道通信管道是一種簡(jiǎn)單的進(jìn)程間通信方式。它可以實(shí)現(xiàn)單向或雙向數(shù)據(jù)傳輸，父進(jìn)程可以創(chuàng)建管道，并將其傳遞給子進(jìn)程。22.信號(hào)通信信號(hào)是一種異步通信機(jī)制，允許一個(gè)進(jìn)程向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送信號(hào)，以通知它發(fā)生了一個(gè)事件。33.共享內(nèi)存共享內(nèi)存是進(jìn)程間通信的一種高效方式，它允許多個(gè)進(jìn)程訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域。44.消息隊(duì)列通信消息隊(duì)列是進(jìn)程間通信的一種可靠方式，它允許進(jìn)程將消息發(fā)送到隊(duì)列，并由其他進(jìn)程從隊(duì)列中讀取。55.信號(hào)量通信信號(hào)量是一種同步機(jī)制，它允許進(jìn)程協(xié)調(diào)對(duì)共享資源的訪問。66.套接字通信套接字是網(wǎng)絡(luò)通信中使用的通信端點(diǎn)，它允許進(jìn)程在不同機(jī)器上進(jìn)行通信。管道(Pipe)通信管道是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，允許進(jìn)程通過管道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。管道是一種單向的數(shù)據(jù)流通道，數(shù)據(jù)只能從管道的一端寫入，并從另一端讀出。管道分為無名管道和有名管道兩種。無名管道概念無名管道是一種半雙工通信方式，只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信，父子進(jìn)程或兄弟進(jìn)程。無名管道是一種特殊的文件，只能由創(chuàng)建它的進(jìn)程或同一進(jìn)程組內(nèi)的其他進(jìn)程訪問。特點(diǎn)無名管道在創(chuàng)建時(shí)沒有名稱，只能通過文件描述符訪問。數(shù)據(jù)只能單向流動(dòng)，不能雙向傳輸。有名管道文件系統(tǒng)有名管道是一種文件類型，存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中。雙向通信有名管道支持雙向通信，兩個(gè)進(jìn)程可以互相發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?？邕M(jìn)程通信不同進(jìn)程可以利用有名管道進(jìn)行通信，即使它們不在同一個(gè)目錄下。易于使用有名管道是簡(jiǎn)單的IPC機(jī)制，使用方便，易于理解和使用。管道的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單易用，無需額外的系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸速度快，適合少量數(shù)據(jù)的傳輸缺點(diǎn)只能用于父子進(jìn)程或兄弟進(jìn)程之間通信數(shù)據(jù)傳輸容量有限，不適合傳輸大量數(shù)據(jù)不適合多個(gè)進(jìn)程之間的通信信號(hào)(Signal)通信信號(hào)是一種異步通信機(jī)制，允許進(jìn)程之間相互發(fā)送特定信號(hào)。信號(hào)可以用來通知另一個(gè)進(jìn)程某些事件的發(fā)生或要求進(jìn)程執(zhí)行特定操作。信號(hào)是一種輕量級(jí)的通信機(jī)制，通常用于通知、中斷或終止進(jìn)程。信號(hào)的概念和分類信號(hào)定義信號(hào)是軟件中斷，用于通知進(jìn)程事件發(fā)生。信號(hào)是一種異步通信方式，可以打斷進(jìn)程的正常執(zhí)行。信號(hào)分類根據(jù)來源，信號(hào)可以分為兩類：系統(tǒng)信號(hào)和用戶自定義信號(hào)。系統(tǒng)信號(hào)由內(nèi)核產(chǎn)生，用戶自定義信號(hào)由進(jìn)程發(fā)出。常見系統(tǒng)信號(hào)SIGINTSIGKILLSIGSTOP信號(hào)的處理方式忽略信號(hào)進(jìn)程收到信號(hào)后不做任何處理，繼續(xù)執(zhí)行原有代碼。捕捉信號(hào)進(jìn)程定義一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)，在收到信號(hào)時(shí)執(zhí)行該函數(shù)，處理相應(yīng)的事件。默認(rèn)處理系統(tǒng)為每個(gè)信號(hào)定義了默認(rèn)處理方式，如終止進(jìn)程、忽略信號(hào)等。信號(hào)通信的應(yīng)用場(chǎng)景1進(jìn)程間通信信號(hào)可以用于不同進(jìn)程之間傳遞消息或通知，例如，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程完成某個(gè)任務(wù)時(shí)，可以發(fā)送一個(gè)信號(hào)給另一個(gè)進(jìn)程，通知它任務(wù)已完成。2進(jìn)程控制通過發(fā)送特定的信號(hào)，可以控制進(jìn)程的行為，例如，終止進(jìn)程、暫停進(jìn)程或恢復(fù)進(jìn)程運(yùn)行。3系統(tǒng)異常處理系統(tǒng)異?；蝈e(cuò)誤情況，例如內(nèi)存訪問錯(cuò)誤或除零錯(cuò)誤，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，通知應(yīng)用程序處理這些異常。共享內(nèi)存通信共享內(nèi)存是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，允許多個(gè)進(jìn)程訪問同一塊內(nèi)存區(qū)域。通過共享內(nèi)存，進(jìn)程可以快速高效地交換數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)通信方式的開銷，如數(shù)據(jù)復(fù)制和系統(tǒng)調(diào)用。共享內(nèi)存的創(chuàng)建和訪問1創(chuàng)建共享內(nèi)存段使用shmget()系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)新的共享內(nèi)存段。2附加共享內(nèi)存段使用shmat()系統(tǒng)調(diào)用將共享內(nèi)存段附加到進(jìn)程的地址空間。3訪問共享內(nèi)存進(jìn)程可以直接訪問共享內(nèi)存段中的數(shù)據(jù)。4分離共享內(nèi)存段使用shmdt()系統(tǒng)調(diào)用將共享內(nèi)存段從進(jìn)程的地址空間分離。共享內(nèi)存是一種允許進(jìn)程之間共享數(shù)據(jù)的一種進(jìn)程間通信方式。創(chuàng)建共享內(nèi)存段需要指定共享內(nèi)存段的大小和權(quán)限。每個(gè)進(jìn)程都可以訪問共享內(nèi)存段中的數(shù)據(jù)。共享內(nèi)存的同步機(jī)制互斥鎖互斥鎖是一種最基本的同步機(jī)制，用于保護(hù)臨界區(qū)，確保同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程訪問共享內(nèi)存。它通過加鎖和解鎖操作來控制訪問權(quán)限，保證數(shù)據(jù)的一致性。信號(hào)量信號(hào)量是一種更靈活的同步機(jī)制，它允許多個(gè)進(jìn)程共享資源。信號(hào)量通過計(jì)數(shù)器來記錄資源的數(shù)量，并使用信號(hào)量操作來控制進(jìn)程對(duì)資源的訪問。消息隊(duì)列通信消息隊(duì)列(MessageQueue)是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，允許進(jìn)程之間通過發(fā)送和接收消息進(jìn)行通信。消息隊(duì)列是一種異步通信機(jī)制，發(fā)送者將消息發(fā)送到隊(duì)列中，接收者可以隨時(shí)從隊(duì)列中取出消息。消息隊(duì)列的創(chuàng)建和訪問1創(chuàng)建消息隊(duì)列使用msgget()函數(shù)創(chuàng)建消息隊(duì)列，并分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，作為后續(xù)操作的憑證。2發(fā)送消息使用msgsnd()函數(shù)將消息發(fā)送到指定的消息隊(duì)列。3接收消息使用msgrcv()函數(shù)從指定的消息隊(duì)列接收消息。4刪除消息隊(duì)列使用msgctl()函數(shù)刪除不再使用的消息隊(duì)列。創(chuàng)建和訪問消息隊(duì)列需要使用系統(tǒng)提供的函數(shù)，包括創(chuàng)建、發(fā)送、接收和刪除操作。使用這些函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)傳遞和同步，提高程序的并發(fā)性和效率。消息隊(duì)列的特點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)異步通信數(shù)據(jù)可靠性松耦合可擴(kuò)展性應(yīng)用場(chǎng)景消息隊(duì)列可用于系統(tǒng)解耦、異步處理、流量削峰、日志收集等場(chǎng)景。常見應(yīng)用常用的消息隊(duì)列系統(tǒng)包括RabbitMQ、Kafka、ActiveMQ等，它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。信號(hào)量通信信號(hào)量是一種用于進(jìn)程間同步的機(jī)制。它本質(zhì)上是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于管理對(duì)共享資源的訪問。信號(hào)量可以用來實(shí)現(xiàn)互斥訪問，即保證同一時(shí)間只有一個(gè)進(jìn)程訪問共享資源。信號(hào)量還可以用來控制對(duì)資源的訪問順序，例如當(dāng)多個(gè)進(jìn)程需要訪問某個(gè)資源時(shí)，可以利用信號(hào)量來控制它們的訪問順序。信號(hào)量的創(chuàng)建和操作1創(chuàng)建信號(hào)量信號(hào)量可以創(chuàng)建并初始化。使用semget()函數(shù)，提供信號(hào)量集鍵值、信號(hào)量集大小、信號(hào)量權(quán)限等參數(shù)。信號(hào)量初始值確定初始可用資源數(shù)量。2信號(hào)量操作semop()函數(shù)進(jìn)行信號(hào)量操作，包括sem_wait()和sem_signal()。sem_wait()嘗試獲取信號(hào)量，減少可用資源數(shù)量。sem_signal()釋放信號(hào)量，增加可用資源數(shù)量。3信號(hào)量控制可以使用semctl()函數(shù)控制信號(hào)量，包括獲取信號(hào)量信息、修改信號(hào)量值、刪除信號(hào)量等操作。信號(hào)量的同步機(jī)制1互斥訪問信號(hào)量用于控制對(duì)共享資源的訪問，防止多個(gè)進(jìn)程同時(shí)修改共享數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的一致性。2資源控制信號(hào)量可以用來限制訪問共享資源的進(jìn)程數(shù)量，避免資源過度占用，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。3進(jìn)程同步信號(hào)量可以用來協(xié)調(diào)不同進(jìn)程之間的運(yùn)行順序，確保它們按照預(yù)定的邏輯進(jìn)行協(xié)作，完成共同目標(biāo)。套接字(Socket)通信網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)套接字是網(wǎng)絡(luò)通信的抽象接口，允許不同主機(jī)上的進(jìn)程進(jìn)行相互通信。網(wǎng)絡(luò)通信方式TCP/IP協(xié)議族支持兩種主要套接字通信方式：面向連接的TCP和無連接的UDP。通信模型套接字通信模型分為客戶端-服務(wù)器模型和對(duì)等模型。編程實(shí)現(xiàn)C語言提供了一套系統(tǒng)調(diào)用庫(kù)函數(shù)，用于創(chuàng)建、綁定、監(jiān)聽、連接和發(fā)送接收數(shù)據(jù)。Socket通信的基本流程1建立連接客戶端向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，服務(wù)器接收請(qǐng)求并建立連接。2數(shù)據(jù)傳輸雙方通過Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并處理。3關(guān)閉連接連接結(jié)束后，雙方需要關(guān)閉Socket連接，釋放資源。Socket通信的編程實(shí)現(xiàn)1套接字創(chuàng)建使用socket()函數(shù)創(chuàng)建套接字2綁定地址使用bind()函數(shù)綁定地址和端口3監(jiān)聽連接使用listen()函數(shù)監(jiān)聽連接請(qǐng)求4接受連接使用accept()函數(shù)接受連接請(qǐng)求5數(shù)據(jù)收發(fā)使用send()和recv()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)在編程實(shí)現(xiàn)中，需要使用相應(yīng)的函數(shù)來完成套接字的創(chuàng)建、綁定、監(jiān)聽、接受、數(shù)據(jù)收發(fā)等操作。這些函數(shù)提供了底層的接口，方便開發(fā)者進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Socket通信的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)Socket通信是一種通用的通信方式，可以跨平臺(tái)使用，應(yīng)用廣泛，方便不同系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Socket通信的傳輸效率較高，可用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中。缺點(diǎn)Socket通信的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要編