Linux IPC

June 18, 2024October 20, 2024

仅使用 C 标准库，无 POSIX 扩展 API 情况

C 标准库提供的程序支持工具，与 IPC 相关的主要有以下：（只讨论平台无关的手段）

int system( const char *command ); 用于向宿主 Shell 发送命令（注意 popen 等函数是 POSIX 函数，所有这里无法访问子进程 I/O）
char *getenv( const char *name ); 用于读取环境变量（注意 setenv 等函数是 POSIX 函数，所以这里无法传递环境变量）

另外，信号是无需考虑的，因为唯一的信号相关函数 raise 只能向进程自身发送信号。
不过，仅使用标准库是可以实现创建文件（fopen）、读写文件、删除文件（remove）的。（理论上可以完成 IPC，不过没有同步机制）

因此，仅有的 IPC 方式有：

程序参数（父 -> 子，单向）
文件 I/O（双向，但必须事先确定路径）

并且无法实现同步。

Unix/Linux IPC

Warning

这里仅以 Linux 为例，不讨论实现的内核版本、不讨论达到系统限制（如超出某些缓冲区）的情况。
细节方面，例如 C 标准库 I/O 缓冲，不在讨论范围之内。
也不关心：某个系统调用是否是基于其它系统调用，因为它们可能是平台相关的。
本文不是一个 Linux 系统调用的教程。

首先在 Linux 上，上面提到的 C 标准库扩展 POSIX API 当然是可用的。
不过注意 FILE *popen(const char *command, const char *type); 的 type 参数只能指定只读或只写，因此无法实现双向通信。

下面我们就不再局限于 C 标准库（及其扩展），放眼 Linux 原语。

Tip

文件描述符可通过 fork 传递给子进程；在 exec 之后，文件描述符是否保留取决于是否设置了 Close-on-exec。
因此这里可以实现父子进程读写同一文件。另外 pipe/socketpair 等通信方式就是基于此机制的，此下文再讨论。
理论上来说，甚至可以通过监控文件事件（inotify，Linux API）来实现通用 IPC，不过这显然没有什么实用性。

概览

TLPI 将 IPC 分为以下 3 类（但是本文不考虑同步）：

工具类型	用于识别对象的名称	用于在程序中引用对象的句柄	数据传输模型	传输形式
管道	没有名称	文件描述符	读写流控	字节流
FIFO	路径名	文件描述符	读写流控	字节流
UNIX domain socket	路径名	文件描述符	读写流控	字节流/消息
Internet domain socket	IP 地址+端口号	文件描述符	读写流控	字节流/消息
System V 消息队列	System V IPC 键	System V IPC 标识符	读写流控	消息
System V 信号量	System V IPC 键	System V IPC 标识符	同步	无
System V 共享内存	System V IPC 键	System V IPC 标识符	共享内存	无
POSIX 消息队列	POSIX IPC 路径名	`mqd_t` (消息队列描述符)	读写流控	消息
POSIX 命名信号量	POSIX IPC 路径名	`sem_t *` (信号量指针)	同步	无
POSIX 无名信号量	没有名称	`sem_t *` (信号量指针)	同步	无
POSIX 共享内存	POSIX IPC 路径名	文件描述符	共享内存	无
匿名映射	无	文件描述符	共享内存	无
内存映射文件	路径名	文件描述符	共享内存	无
`flock()` 文件锁	路径名	文件描述符	同步	无
`fcntl()` 文件锁	路径名	文件描述符	同步	无
终端/伪终端	路径名	文件描述符	读写流控	字节流

信号

信号分为两种：

（POSIX reliable signals）标准信号不会对遭阻塞的信号进行排队处理，如果在信号处理器程序执行过程中重复产生这些信号中的任何信号，（稍后）对信号的传递将是一次性的。
（POSIX real-time signals）实时信号则会排队处理（通过 sigqueue(3)），并多次传递。

前提：
对于普通进程来说，发送信号（kill）的进程的 RUID 或 EUID 需要匹配于接受者的 RUID 或 SetUID。

从实际角度看：
标准信号中可供应用随意使用的信号仅有两个：SIGUSR1 和 SIGUSR2；实时信号的信号范围有所扩大，可应用于应用程序自定义的目的。
此外，实时信号可为信号指定伴随数据（一整型数或者指针值），并且对于等待中的信号有优先级机制（编号越小优先级越高）。

由于信号能够打断程序的正常运行，因此信号处理器中调用的函数（显然也包括处理器函数本身）需要是异步信号安全的（AS-Safe）。
即满足：函数是可重入的，或者信号处理器函数无法将该函数中断（如果该函数不会导致信号发生，那么当然就不可能会“重入”）。
从实践的角度看，基本不可能禁止主程序去调用不可中断函数，因此为了保证信号处理函数是异步信号安全的，必须保证信号处理函数中不调用不安全的函数。简单来说，最好保持信号处理程序尽可能简单。

考虑实践性：
信号在 Unix 中会被认为是一种比较原始和存在缺陷的 IPC 和进程控制机制。
我们需要考虑：

异步性（信号可能在任何时候中断进程的正常执行流程）与竞争条件（信号处理函数与主程序逻辑上是并发的）

信号处理程序的限制和信号丢失的可能（正如上面讨论过的）

难以调试，因为它是异步的

总的来说：信号是任意向的（具有适当的进程操纵凭证）、只能携带很少数据（信号编号 + 实时信号额外的 union sigval）。
因此只适合传递简单的信息（消息），例如通知某事件已发生。

管道

匿名管道（pipe(2)）

匿名管道（简称：管道）实际上是很常见的，Shell 管道（|）和 popen() 都是基于它实现的。

管道具有以下性质：

管道是连续、顺序且无法定位的字节流（无边界）
每个管道是单向的，若需要双向管道机制，可使用 socketpair(2) 替代
可确保写入不超过 PIPE_BUF 字节的操作是原子的
管道实际上是在内核内存中维护的缓冲器，因而容量是有限的，如果填满了就会阻塞

命名管道（fifo(7)）

命名管道（简称：FIFO）的“命名”指在文件系统有一个标识（即路径）。

通过 mkfifo(3) 在文件系统中创建一个命名管道，它可以被拥有合适的权限的任意进程打开。
除此之外，其运作方式与管道完全一样。
在默认情况下，为读取数据（O_RDONLY）而打开一个 FIFO 会被阻塞直到另一个进程为写入数据（O_WRONLY）而打开了该 FIFO，反之亦然。

内存映射 mmap(2)

要通过 void *mmap(void addr[.length], size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 来 IPC，那必然要使用共享映射（MAP_SHARED）。
对于匿名映射（MAP_ANONYMOUS），因为不存在对应的文件，要求两个进程是父子关系：fork() 的子进程会继承映射，因此父子进程就共享了同样的内存物理分页（不过执行 exec() 时映射会丢失）。

共享映射时，任意两个进程间打开（open）同一个文件即可。简单来说，两个进程映射区域的页表项指向物理内存的同一个映射页面，而内核负责管理物理内存映射页面于被映射文件区域的 I/O。
显然，共享内存的优势之一就是内核无需在内核态内存中维护额外的缓冲区，用于与用户态内存之间交换数据。

套接字 socket(7)

套接字可以说是唯一跨（网络间的）主机的 ICP 方式（Internet Domain Socket），当然用于本机进程间也是可以的（Unix Domain Socket）。

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

域（domain）	执行的通信	应用程序间的通信	地址格式	地址结构
AF_UNIX	内核中	同一主机	路径名	sockaddr_un
AF_INET	通过 IPv4	通过 IPv4 网络连接起来的主机	32 位 IPv4 地址 + 16 位端口号	sockaddr_in
AF_INET6	通过 IPv6	通过 IPv6 网络连接起来的主机	128 位 IPv6 地址 + 16 位端口号	sockaddr_in6

类型（type）	描述	默认协议
SOCK_STREAM	有序的、可靠的、双向的、面向连接的字节流	TCP (Transmission Control Protocol)
SOCK_DGRAM	固定长度的、无连接的、不可靠的报文传递	UDP (User Datagram Protocol)
SOCK_RAW	IP协议的数据报接口（在POSIX.1中为可选）	IP (Internet Protocol)
SOCK_SEQPACKET	固定长度的、有序的、可靠的、面向连接的报文传递	SCTP (Stream Control Transmission Protocol)

协议	描述
0	为给定的域和套接字类型选择默认协议
IPPROTO_IP	IPv4 网际协议
IPPROTO_IPV6	IPv6 网际协议（在 POSX.1 中为可选）
IPPROTO_ICMP	因特网控制报文协议（Internet Control Message Protocol）
IPPROTO_RAW	原始 IP 数据包协议（在 POSX.1 中为可选）
IPPROTO_TCP	传输控制协议
IPPROTO_UDP	用户数据报协议（User Datagram Protocol）

详细参见 man 手册。另外，也可查看中文版 man 手册的 socket(7) 页面。

System V IPC（XSI IPC）

Note

仅概述

SystemV IPC 使用不同于文件描述符的机制，内核内部维护一组 SystemV IPC 对象。

特征	消息队列	信号量	共享内存
头文件	<sys/msg.h>	<sys/sem.h>	<sys/shm.h>
关联数据结构	`msqid_ds`	`semid_ds`	`shmid_ds`
创建/打开对象	msgget()	semget()	shmget(), shmat()
关闭对象	（无）	（无）	shmdt()
控制操作	msgctl()	semctl()	shmctl()
执行IPC	msgsnd(), msgrcv()	semop()	（无）

POSIX IPC

Note

仅概述

相比于System V IPC，POSIX IPC与 Linux 系统 I/O 模型更一致。

特征	消息队列	信号量	共享内存
头文件	<mqueue.h>	<semaphore.h>	<sys/mman.h>
对象句柄	`mqd_t`	`sem_t *`	`int`（文件描述符）
创建/打开	mq_open()	sem_open()	shm_open() + mmap()
关闭	mq_close()	sem_close()	munmap()
断开链接	mq_unlink()	sem_unlink()	shm_unlink()
执行IPC	mq_send(), mq_receive()	sem_post(), sem_wait()	在共享区域中的位置上操作
其他操作	mq_setattr() 设置特性	sem_getvalue()	-
	mq_getattr() 获取特性	sem_init() 初始化未命名信号量	-
	mq_notify() 请求通知	sem_destroy() 销毁未命名信号量	-

每个 socket 实现都至少提供了两种 socket 类型

特征	流	数据报
可靠地传递	✔	✘
消息边界保留	✘	✔
面向连接	✔	✘

终端/伪终端

伪终端机制可实现父进程控制子进程的标准输入/输出/错误。具体来说：
子进程令伪终端的从设备成为其控制终端，父进程通过伪终端主设备读取（子进程标准输出/错误）和写入数据（子进程标准输入）。

一对伪终端（主从设备）同一个双向管道很相似（它们在内核空间中传输数据），因此这里也将其纳入 IPC 方法中。
不过这显然不是一种具有实践性的 IPC 手段。

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