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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。
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
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
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。
