# 36 | 进程间通信：遇到大项目需要项目组之间的合作才行

    前面咱们接项目的时候，主要强调项目之间的隔离性。这是因为，我们刚开始接的都是小项目。随着我们接的项目越来越多，就难免遇到大项目，这就需要多个项目组进行合作才能完成。

两个项目组应该通过什么样的方式进行沟通与合作呢？作为老板，你应该如何设计整个流程呢？

## 管道模型

好在有这么多成熟的项目管理流程可以参考。最最传统的模型就是软件开发的**瀑布模型**（Waterfall Model）。所谓的瀑布模型，其实就是将整个软件开发过程分成多个阶段，往往是上一个阶段完全做完，才将输出结果交给下一个阶段。就像下面这张图展示的一样。

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/ed/c9/ed1fd2ede7a8fef5508c877e722345c9.png)

这种模型类似进程间通信的**管道模型**。还记得咱们最初学Linux命令的时候，有下面这样一行命令：

```
ps -ef | grep 关键字 | awk '{print $2}' | xargs kill -9

```

这里面的竖线“|”就是一个管道。它会将前一个命令的输出，作为后一个命令的输入。从管道的这个名称可以看出来，管道是一种单向传输数据的机制，它其实是一段缓存，里面的数据只能从一端写入，从另一端读出。如果想互相通信，我们需要创建两个管道才行。

管道分为两种类型，“|” 表示的管道称为**匿名管道**，意思就是这个类型的管道没有名字，用完了就销毁了。就像上面那个命令里面的一样，竖线代表的管道随着命令的执行自动创建、自动销毁。用户甚至都不知道自己在用管道这种技术，就已经解决了问题。所以这也是面试题里面经常会问的，到时候千万别说这是竖线，而要回答背后的机制，管道。

另外一种类型是**命名管道**。这个类型的管道需要通过mkfifo命令显式地创建。

```
mkfifo hello

```

hello就是这个管道的名称。管道以文件的形式存在，这也符合Linux里面一切皆文件的原则。这个时候，我们ls一下，可以看到，这个文件的类型是p，就是pipe的意思。

```
# ls -l
prw-r--r--  1 root root         0 May 21 23:29 hello

```

接下来，我们可以往管道里面写入东西。例如，写入一个字符串。

```
# echo "hello world" > hello

```

这个时候，管道里面的内容没有被读出，这个命令就是停在这里的，这说明当一个项目组要把它的输出交接给另一个项目组做输入，当没有交接完毕的时候，前一个项目组是不能撒手不管的。

这个时候，我们就需要重新连接一个终端。在终端中，用下面的命令读取管道里面的内容：

```
# cat < hello 
hello world

```

一方面，我们能够看到，管道里面的内容被读取出来，打印到了终端上；另一方面，echo那个命令正常退出了，也即交接完毕，前一个项目组就完成了使命，可以解散了。

我们可以看出，瀑布模型的开发流程效率比较低下，因为团队之间无法频繁地沟通。而且，管道的使用模式，也不适合进程间频繁地交换数据。

于是，我们还得想其他的办法，例如我们是不是可以借鉴传统外企的沟通方式——邮件。邮件有一定的格式，例如抬头，正文，附件等，发送邮件可以建立收件人列表，所有在这个列表中的人，都可以反复地在此邮件基础上回复，达到频繁沟通的目的。

## 消息队列模型

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/ac/a4/ac6ad6c9e7e3831f6d813113ae1c5ba4.png)

这种模型类似进程间通信的消息队列模型。和管道将信息一股脑儿地从一个进程，倒给另一个进程不同，消息队列有点儿像邮件，发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体，每个消息体都是固定大小的存储块，在字节流上不连续。

这个消息结构的定义我写在下面了。这里面的类型type和正文text没有强制规定，只要消息的发送方和接收方约定好即可。

```
struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};

```

接下来，我们需要创建一个消息队列，使用**msgget函数**。这个函数需要有一个参数key，这是消息队列的唯一标识，应该是唯一的。如何保持唯一性呢？这个还是和文件关联。

我们可以指定一个文件，ftok会根据这个文件的inode，生成一个近乎唯一的key。只要在这个消息队列的生命周期内，这个文件不要被删除就可以了。只要不删除，无论什么时刻，再调用ftok，也会得到同样的key。这种key的使用方式在这一章会经常遇到，这是因为它们都属于System V IPC进程间通信机制体系中。

```
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>


int main() {
  int messagequeueid;
  key_t key;


  if((key = ftok("/root/messagequeue/messagequeuekey", 1024)) < 0)
  {
      perror("ftok error");
      exit(1);
  }


  printf("Message Queue key: %d.\n", key);


  if ((messagequeueid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
  {
      perror("msgget error");
      exit(1);
  }


  printf("Message queue id: %d.\n", messagequeueid);
}

```

在运行上面这个程序之前，我们先使用命令touch messagequeuekey，创建一个文件，然后多次执行的结果就会像下面这样：

```
# ./a.out 
Message Queue key: 92536.
Message queue id: 32768.

```

System V IPC体系有一个统一的命令行工具：ipcmk，ipcs和ipcrm用于创建、查看和删除IPC对象。

例如，ipcs -q就能看到上面我们创建的消息队列对象。

```
# ipcs -q


------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    
0x00016978 32768      root       777        0            0

```

接下来，我们来看如何发送信息。发送消息主要调用**msgsnd函数**。第一个参数是message queue的id，第二个参数是消息的结构体，第三个参数是消息的长度，最后一个参数是flag。这里IPC\_NOWAIT表示发送的时候不阻塞，直接返回。

下面的这段程序，getopt\_long、do-while循环以及switch，是用来解析命令行参数的。命令行参数的格式定义在long\_options里面。每一项的第一个成员“id”“type”“message”是参数选项的全称，第二个成员都为1，表示参数选项后面要跟参数，最后一个成员’i’‘t’'m’是参数选项的简称。

```
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <getopt.h>
#include <string.h>


struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};


int main(int argc, char *argv[]) {
  int next_option;
  const char* const short_options = "i:t:m:";
  const struct option long_options[] = {
    { "id", 1, NULL, 'i'},
    { "type", 1, NULL, 't'},
    { "message", 1, NULL, 'm'},
    { NULL, 0, NULL, 0 }
  };
  
  int messagequeueid = -1;
  struct msg_buffer buffer;
  buffer.mtype = -1;
  int len = -1;
  char * message = NULL;
  do {
    next_option = getopt_long (argc, argv, short_options, long_options, NULL);
    switch (next_option)
    {
      case 'i':
        messagequeueid = atoi(optarg);
        break;
      case 't':
        buffer.mtype = atol(optarg);
        break;
      case 'm':
        message = optarg;
        len = strlen(message) + 1;
        if (len > 1024) {
          perror("message too long.");
          exit(1);
        }
        memcpy(buffer.mtext, message, len);
        break;
      default:
        break;
    }
  }while(next_option != -1);


  if(messagequeueid != -1 && buffer.mtype != -1 && len != -1 && message != NULL){
    if(msgsnd(messagequeueid, &buffer, len, IPC_NOWAIT) == -1){
      perror("fail to send message.");
      exit(1);
    }
  } else {
    perror("arguments error");
  }
  
  return 0;
}

```

接下来，我们可以编译并运行这个发送程序。

```
gcc -o send sendmessage.c
./send -i 32768 -t 123 -m "hello world"

```

接下来，我们再来看如何收消息。收消息主要调用**msgrcv函数**，第一个参数是message queue的id，第二个参数是消息的结构体，第三个参数是可接受的最大长度，第四个参数是消息类型,最后一个参数是flag，这里IPC\_NOWAIT表示接收的时候不阻塞，直接返回。

```
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <getopt.h>
#include <string.h>


struct msg_buffer {
    long mtype;
    char mtext[1024];
};


int main(int argc, char *argv[]) {
  int next_option;
  const char* const short_options = "i:t:";
  const struct option long_options[] = {
    { "id", 1, NULL, 'i'},
    { "type", 1, NULL, 't'},
    { NULL, 0, NULL, 0 }
  };
  
  int messagequeueid = -1;
  struct msg_buffer buffer;
  long type = -1;
  do {
    next_option = getopt_long (argc, argv, short_options, long_options, NULL);
    switch (next_option)
    {
      case 'i':
        messagequeueid = atoi(optarg);
        break;
      case 't':
        type = atol(optarg);
        break;
      default:
        break;
    }
  }while(next_option != -1);


  if(messagequeueid != -1 && type != -1){
    if(msgrcv(messagequeueid, &buffer, 1024, type, IPC_NOWAIT) == -1){
      perror("fail to recv message.");
      exit(1);
    }
    printf("received message type : %d, text: %s.", buffer.mtype, buffer.mtext);
  } else {
    perror("arguments error");
  }
  
  return 0;
}

```

接下来，我们可以编译并运行这个发送程序。可以看到，如果有消息，可以正确地读到消息；如果没有，则返回没有消息。

```
# ./recv -i 32768 -t 123
received message type : 123, text: hello world.
# ./recv -i 32768 -t 123
fail to recv message.: No message of desired type

```

有了消息这种模型，两个进程之间的通信就像咱们平时发邮件一样，你来一封，我回一封，可以频繁沟通了。

## 共享内存模型

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/df/38/df910e4383885b1aceaafb52b9bb5638.png)

但是有时候，项目组之间的沟通需要特别紧密，而且要分享一些比较大的数据。如果使用邮件，就发现，一方面邮件的来去不及时；另外一方面，附件大小也有限制，所以，这个时候，我们经常采取的方式就是，把两个项目组在需要合作的期间，拉到一个会议室进行合作开发，这样大家可以直接交流文档呀，架构图呀，直接在白板上画或者直接扔给对方，就可以直接看到。

可以看出来，共享会议室这种模型，类似进程间通信的**共享内存模型**。前面咱们讲内存管理的时候，知道每个进程都有自己独立的虚拟内存空间，不同的进程的虚拟内存空间映射到不同的物理内存中去。这个进程访问A地址和另一个进程访问A地址，其实访问的是不同的物理内存地址，对于数据的增删查改互不影响。

但是，咱们是不是可以变通一下，拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去。

共享内存也是System V IPC进程间通信机制体系中的，所以从它使用流程可以看到熟悉的面孔。

我们可以创建一个共享内存，调用shmget。在这个体系中，创建一个IPC对象都是xxxget，这里面第一个参数是key，和msgget里面的key一样，都是唯一定位一个共享内存对象，也可以通过关联文件的方式实现唯一性。第二个参数是共享内存的大小。第三个参数如果是IPC\_CREAT，同样表示创建一个新的。

```
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

```

创建完毕之后，我们可以通过ipcs命令查看这个共享内存。

```
#ipcs ­­--shmems


------ Shared Memory Segments ------ ­­­­­­­­
key        shmid    owner perms    bytes nattch status
0x00000000 19398656 marc  600    1048576 2      dest

```

接下来，如果一个进程想要访问这一段共享内存，需要将这个内存加载到自己的虚拟地址空间的某个位置，通过shmat函数，就是attach的意思。其中addr就是要指定attach到这个地方。但是这个地址的设定难度比较大，除非对于内存布局非常熟悉，否则可能会attach到一个非法地址。所以，通常的做法是将addr设为NULL，让内核选一个合适的地址。返回值就是真正被attach的地方。

```
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);

```

如果共享内存使用完毕，可以通过shmdt解除绑定，然后通过shmctl，将cmd设置为IPC\_RMID，从而删除这个共享内存对象。

```
int shmdt(void *addr); 


int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

```

## 信号量

这里你是不是有一个疑问，如果两个进程attach同一个共享内存，大家都往里面写东西，很有可能就冲突了。例如两个进程都同时写一个地址，那先写的那个进程会发现内容被别人覆盖了。

所以，这里就需要一种保护机制，使得同一个共享的资源，同时只能被一个进程访问。在System V IPC进程间通信机制体系中，早就想好了应对办法，就是信号量（Semaphore）。因此，信号量和共享内存往往要配合使用。

信号量其实是一个计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

我们可以将信号量初始化为一个数值，来代表某种资源的总体数量。对于信号量来讲，会定义两种原子操作，一个是**P操作**，我们称为**申请资源操作**。这个操作会申请将信号量的数值减去N，表示这些数量被他申请使用了，其他人不能用了。另一个是**V操作**，我们称为**归还资源操作**，这个操作会申请将信号量加上M，表示这些数量已经还给信号量了，其他人可以使用了。

例如，你有100元钱，就可以将信号量设置为100。其中A向你借80元，就会调用P操作，申请减去80。如果同时B向你借50元，但是B的P操作比A晚，那就没有办法，只好等待A归还钱的时候，B的P操作才能成功。之后，A调用V操作，申请加上30元，也就是还给你30元，这个时候信号量有50元了，这时候B的P操作才能成功，才能借走这50元。

所谓**原子操作**（Atomic Operation），就是任何一块钱，都只能通过P操作借给一个人，不能同时借给两个人。也就是说，当A的P操作（借80）和B的P操作（借50），几乎同时到达的时候，不能因为大家都看到账户里有100就都成功，必须分个先来后到。

如果想创建一个信号量，我们可以通过semget函数。看，又是xxxget，第一个参数key也是类似的，第二个参数num\_sems不是指资源的数量，而是表示可以创建多少个信号量，形成一组信号量，也就是说，如果你有多种资源需要管理，可以创建一个信号量组。

```
 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

```

接下来，我们需要初始化信号量的总的资源数量。通过semctl函数，第一个参数semid是这个信号量组的id，第二个参数semnum才是在这个信号量组中某个信号量的id，第三个参数是命令，如果是初始化，则用SETVAL，第四个参数是一个union。如果初始化，应该用里面的val设置资源总量。

```
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, union semun args);


union semun
{
  int val;
  struct semid_ds *buf;
  unsigned short int *array;
  struct seminfo *__buf;
};

```

无论是P操作还是V操作，我们统一用semop函数。第一个参数还是信号量组的id，一次可以操作多个信号量。第三个参数numops就是有多少个操作，第二个参数将这些操作放在一个数组中。

数组的每一项是一个struct sembuf，里面的第一个成员是这个操作的对象是哪个信号量。

第二个成员就是要对这个信号量做多少改变。如果sem\_op < 0，就请求sem\_op的绝对值的资源。如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem\_op的绝对值，函数成功返回。

当相应的资源数不能满足请求时，就要看sem\_flg了。如果把sem\_flg设置为IPC\_NOWAIT，也就是没有资源也不等待，则semop函数出错返回EAGAIN。如果sem\_flg 没有指定IPC\_NOWAIT，则进程挂起，直到当相应的资源数可以满足请求。若sem\_op > 0，表示进程归还相应的资源数，将 sem\_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量，则唤醒它们。

```
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);


struct sembuf 
{
  short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
  short sem_op;  // 信号量值在一次操作中的改变量
  short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}

```

信号量和共享内存都比较复杂，两者还要结合起来用，就更加复杂，它们内核的机制就更加复杂。这一节我们先不讲，放到本章的最后一节重点讲解。

## 信号

上面讲的进程间通信的方式，都是常规状态下的工作模式，对应到咱们平时的工作交接，收发邮件、联合开发等，其实还有一种异常情况下的工作模式。

例如出现线上系统故障，这个时候，什么流程都来不及了，不可能发邮件，也来不及开会，所有的架构师、开发、运维都要被通知紧急出动。所以，7乘24小时不间断执行的系统都需要有告警系统，一旦出事情，就要通知到人，哪怕是半夜，也要电话叫起来，处理故障。

对应到操作系统中，就是信号。信号没有特别复杂的数据结构，就是用一个代号一样的数字。Linux提供了几十种信号，分别代表不同的意义。信号之间依靠它们的值来区分。这就像咱们看警匪片，对于紧急的行动，都是说，“1号作战任务”开始执行，警察就开始行动了。情况紧急，不能啰里啰嗦了。

信号可以在任何时候发送给某一进程，进程需要为这个信号配置信号处理函数。当某个信号发生的时候，就默认执行这个函数就可以了。这就相当于咱们运维一个系统应急手册，当遇到什么情况，做什么事情，都事先准备好，出了事情照着做就可以了。

## 总结时刻

这一节，我们整体讲解了一下进程间通信的各种模式。你现在还能记住多少？

*   类似瀑布开发模式的管道
*   类似邮件模式的消息队列
*   类似会议室联合开发的共享内存加信号量
*   类似应急预案的信号

当你自己使用的时候，可以根据不同的通信需要，选择不同的模式。

*   管道，请你记住这是命令行中常用的模式，面试问到的话，不要忘了。
*   消息队列其实很少使用，因为有太多的用户级别的消息队列，功能更强大。
*   共享内存加信号量是常用的模式。这个需要牢记，常见到一些知名的以C语言开发的开源软件都会用到它。
*   信号更加常用，机制也比较复杂。我们后面会有单独的一节来解析。

## 课堂练习

这节课的程序，请你务必自己编译通过，搞清楚参数解析是怎么做的，这个以后你自己写程序的时候，很有用，另外消息队列模型的API调用流程，也要搞清楚，要知道他们都属于System V系列，后面我们学共享内存和信号量，能看到完全类似的API调用流程。

欢迎留言和我分享你的疑惑和见解 ，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。

![](https://static001.geekbang.org/resource/image/8c/37/8c0a95fa07a8b9a1abfd394479bdd637.jpg)