进程间通信（IPC）详解及示例（3）

文章目录

进程间通信（IPC）详解及示例
- 概念
- 分类
- 信号
- - 信号的产生与处理
  - - 信号的发送
    - 信号的接收
  - 信号的常见类型
- 信号集
- - 信号集的操作
  - 示例
- 优缺点
- - 优点
  - 缺点
- 总结

进程间通信（IPC）详解及示例

概念

进程间通信（IPC）是指在不同进程之间传递数据或信息的机制。由于操作系统为进程提供了独立的内存空间，进程之间不能直接访问彼此的数据，因此需要一些特定的方式来实现数据传递和同步。

信号

信号是一种异步通知机制，允许一个进程向另一个进程发送通知，通常用于处理异常情况、进程的生命周期等事件。信号具有以下特点：

简单性：信号可以在进程发生特定事件时快速通知其他进程。
传递数据量小：信号通常不携带复杂数据，只携带有限的信息。

信号的产生与处理

信号的发送

信号可以通过以下方式发送：

系统产生：某些系统事件会自动生成信号，例如定时器超时、中断等。
发送信号：使用系统调用显式发送信号。常用的函数包括：
- kill(pid, sig):
  - 参数：
    - pid: 目标进程的进程ID。
    - sig: 要发送的信号类型（如 SIGINT, SIGTERM）。
  - 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  - 示例：
```
// 发送SIGTERM信号给进程ID为1234的进程
kill(1234, SIGTERM);
```
- raise(sig):
  - 参数：
    - sig: 要发送的信号类型。
  - 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  - 示例：
```
// 向当前进程发送SIGINT信号
raise(SIGINT);
```
- abort():
  - 无参数。
  - 返回值：无返回值，进程会被终止。
  - 示例：
```
// 使当前进程异常终止
abort();
```
- alarm(seconds):
  - 参数：
    - seconds: 设置定时器的秒数。
  - 返回值：返回之前设置的秒数，若无则返回0。
  - 示例：
```
// 5秒后发送SIGALRM信号
alarm(5);
```
- setitimer(which, new_value, old_value):
  - 参数：
    - which: 定时器类型（如 ITIMER_REAL）。
    - new_value: 新的定时器值。
    - old_value: 用于存储旧的定时器值。
  - 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  - 示例：
```
struct itimerval timer;
timer.it_value.tv_sec = 5; // 初始5秒
timer.it_value.tv_usec = 0;
setitimer(ITIMER_REAL, &timer, NULL); // 设置定时器
```

信号的接收

信号的接收和处理可以通过以下方式实现：

信号处理：通过预定义的信号处理函数处理接收到的信号。可以使用以下系统调用：
- signal(sig, handler):
  - 参数：
    - sig: 要处理的信号类型。
    - handler: 信号处理函数的指针。
  - 返回值：返回之前的处理方式，若失败返回SIG_ERR。
  - 示例：
```
// 信号处理函数
void handler(int sig) {printf("Received signal %d\n", sig);
}
// 设置SIGINT信号的处理函数
signal(SIGINT, handler);
```
- sigaction(sig, &act, &oldact):
  - 参数：
    - sig: 要处理的信号类型。
    - act: 新的信号处理方式。
    - oldact: 用于存储旧的信号处理方式。
  - 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  - 示例：
```
struct sigaction sa;
sa.sa_handler = handler;
sigaction(SIGINT, &sa, NULL); // 设置SIGINT信号的处理函数
```
信号捕获：使用pause()函数使进程进入休眠状态，等待信号的到来，从而进行捕获和处理。
- pause():
  - 无参数。
  - 返回值：无返回值，直到接收到信号。
  - 示例：
```
// 等待信号到来
pause();
```

信号的常见类型

SIGINT: 中断信号，通常由用户通过 Ctrl+C 发送。
SIGTERM: 终止信号，要求进程正常退出。
SIGKILL: 强制终止信号，无法被捕获或忽略。
SIGALRM: 定时器信号，通常由 alarm() 函数发送。

信号集

操作系统为信号管理提供了多种信号集的概念，包括：

信号集：用于表示一组信号，可以在系统调用中使用。
信号阻塞集：用于阻止某些信号在特定代码段被处理，提高程序的安全性。
未决信号集：记录尚未处理的信号，确保信号不被丢失。

信号集的操作

sigemptyset(set): 初始化信号集为空。
sigaddset(set, sig): 向信号集中添加信号。
sigdelset(set, sig): 从信号集中删除信号。
sigprocmask(how, set, oldset): 修改进程的信号屏蔽字。

示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>void handler(int sig) {printf("Received signal %d\n", sig);
}int main() {// 设置SIGINT信号的处理函数signal(SIGINT, handler);// 初始化信号集sigset_t set;sigemptyset(&set);sigaddset(&set, SIGINT);// 阻塞SIGINT信号sigprocmask(SIG_BLOCK, &set, NULL);printf("SIGINT is blocked. Press Ctrl+C to send SIGINT.\n");sleep(10); // 等待10秒// 解锁SIGINT信号sigprocmask(SIG_UNBLOCK, &set, NULL);printf("SIGINT is unblocked. You can now send SIGINT.\n");// 等待信号到来pause();return 0;
}

优缺点

优点

高效性：信号机制相对简单且快速，适合于处理较为紧急的事件。
低开销：信号的开销相对较小，尤其与其他 IPC 方式相比。
异步处理：信号允许进程在任何时刻响应事件，提高了程序的灵活性。

缺点

数据传递限制：信号通常不携带复杂数据，这可能限制了它的应用场景。
异常处理：不当处理信号可能导致程序出现不可预测的行为。
信号丢失：在某些情况下，信号可能会被丢失或被覆盖，导致信息传递失败。
复杂性：信号处理的复杂性可能导致程序的可读性和可维护性降低。

总结

进程间通信是操作系统中不可或缺的一部分，选择合适的通信方式可以有效提高系统的性能和稳定性。信号作为 IPC 的一种方式，适用于处理特定的事件或状态变更，但需谨慎管理以避免潜在问题。在设计多进程系统时，合理选择信号和其它 IPC 机制至关重要。