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系统调用相关函数

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索引：

1.fork、exec和exit对IPC对象的影响

2.fcntl记录锁

3.管道和FIFO的属性

4.管道和FIFO的限制

5.pipe函数

6.popen和pclose

7.mkfifo函数

8.SystemVIPC共性描述

9.msqid_ds结构

10.msgget函数

11.msgsnd函数

12.msgrcv函数

13.msgctl函数

14.在SystemV消息队列上使用select和poll

15.semid_ds结构

16.semget函数

17.semop函数

18.semctl函数

19.shmid_ds结构

20.shmget函数

21.shmat函数

22.shmdt函数

23.shmctl函数

24.mmap函数

25.munmap函数

26.msync函数

27.匿名内存映射

1.fork、exec和exit对IPC对象的影响

IPC类型

fork

exec

_exit

管道和FIFO

子进程取得父进程的所有打开着的描述字的拷贝

所有打开的描述字继续打开着，除非已设置描述字的FD_CLOEXEC位

关闭所有打开着的描述字，最后一个关闭时删除管道或FIFO中残留的所有数据

Posix消息队列

子进程取得父进程的所有打开着的消息队列描述字的拷贝

关闭所有打开着的消息队列描述字

SystemV消息队列

没有效果

Posix互斥锁、条件变量、读写锁、基于内存的信号灯

若驻留在共享内存中而且具有进程间共享属性，则共享

除非在继续打开着的共享内存中而且具有进程间共享属性，否则消失

Posix有名信号灯

父进程中所有打开着的有名信号灯在子进程中继续打开着

关闭所有打开着的有名信号灯

SystemV信号灯

子进程中所有semadj值都置为0

所有semadj值都携入新程序中

所有semadj值都加到相应的信号灯上

fcntl记录上锁

子进程不继承父进程持有的锁

只要描述字继续打开着，锁就不变

解开由进程持有的所有未处理的锁

mmap内存映射和Posix共享内存区

父进程中的内存映射存留到子进程中

去除内存映射

SystemV共享内存区

附接着的共享内存区在子进程中继续附接着

断开所有附接着的共享内存区

门

子进程取得父进程的所有打开着的描述字，但是客户在门描述字上激活其过程时，只有父进程是服务器

所有门描述字都应关闭，因为它们创建时设置了FD_CLOEXEC位

关闭所有打开着的描述字

2.fcntl记录锁

Unix内核没有文件内记录的概念，这里的记录是指字节范围（byterange）。

Posix记录上锁定义了一个特殊的字节范围以指定整个文件，它的其始偏移为0（文件的开头），长度为0。

文件上锁是记录上锁的一个特例。

粒度（granularity）用于标记能被锁住的对象的大小。

对于Posix记录上锁来说，粒度就是单个字节。

记录上锁的Posix接口是fcntl函数：

#include

intfcntl（intfd,intcmd,…/*structflock*arg*/）;

成功时取决于cmd，出错时为-1。

对应记录上锁的第三个参数arg是指向某个flock结构的指针：

structflock{

shortl_type;/*F_RDLCK,F_WRLCK,F_UNLCK*/

shortl_whence;/*SEEK_SET,SEEK_CUR,SEEK_END*/

off_tl_start;/*relativestartingoffsetinbytes*/

off_tl_len;/*#bytes;0meansuntilend-of-file*/

pid_tpid;/*PIDreturnedbyF_GETLK*/

};

cmd命令有三个：

∙ F_SETLK：

获取（l_type为F_RDLCK或F_WRLCK）或释放（l_type为F_UNLCK）由arg指向的flock结构所描述的锁。

如果该锁无法授予调用进程，该函数就立即返回一个EACCES或EAGAIN错误而不阻塞。

∙ F_SETLKW：

该命令与上一命令相似，不同在于，若所请求的锁无法授予，则调用进程将阻塞到该锁能够授予为止。

（W的意思是“等待”）

∙ F_GETLK：

检查由arg指向的锁以确定是否有某个已存在的锁会妨碍新锁授予调用进程。

如果当前没有这样的锁存在，由arg指向的flock结构的l_type被置为F_UNLCK。

否则，关于这个已存在锁的信息将在由arg指向的flock结构中返回（该结构的内容由fcntl函数覆写），其中包含持有该锁的进程ID。

l_whence成员有三个值：

∙ SEEK_SET：

l_start相对于文件的开头解释；

∙ SEEK_CUR：

l_start相对与文件的当前字节偏移解释；

∙ SEEK_END：

l_start相对于文件的末尾解释。

l_len成员指定从该偏移开始的连续字节数。

长度为0表示锁住整个文件，一般锁整个文件如下使用：

指定l_whence成员为SEEK_SET，l_start为0，l_len为0。

fcntl记录上锁既可用于读也可用于写，对于一个文件的任意字节，最多只能存在一种类型的锁（读出锁或写入锁）。

而且，一个给定字节可以有多个读出锁，但只能有一个写入锁。

当一个描述字不是打开来用于读时，如果我们对它请求一个读出锁，错误就会发生；同样，当一个描述字不是打开来用于写时，请求一个写锁错误也会发生。

对于一个打开着某个文件的给定进程来说，当它关闭该文件的任何一个描述字或终止时，与该文件关联的所有锁都被删除。

锁不能通过fork由子进程继承。

删除锁的关键是进程ID，而不是引用同一文件的描述字数目及打开目的。

记录上锁不应该同标准I/O函数库一块使用，因为该函数库会执行内部缓冲。

当某个文件需要上锁时，为避免问题，应对它使用read和write。

使用fcntl上锁和解锁的例子见unpv22e：

lock/lockfcntl.c。

劝告性锁和强制性锁

Posix记录上锁是劝告性锁（advisorylocking）。

劝告性锁对协作进程（cooperatingprocesses）是足够了。

有些系统提供了强制性锁（mandatorylocking）。

使用强制性锁后，内核将检查每个read和write请求，以验证其操作不会干扰由某个进程持有的某个锁。

对于通常的阻塞式描述字，与某个强制性锁冲突的read或write将把调用进程投入睡眠，直到该锁释放为止。

对于非阻塞式描述字，与某个强制性锁冲突的read或write将导致它们返回一个EAGAIN错误。

对某个特定文件施行强制性锁，应满足：

∙ 组成员执行位必须关闭；

∙ SGID位必须打开。

强制性锁不需要新的系统调用。

虽然强制性上锁有一定作用，但多个进程在更新同一个文件时，仍然会导致混乱。

进程之间还是需要某种上锁形式的协作。

当一个文件区被锁住时，待处理的读出者和写入者的优先级是不可知的。

3.管道和FIFO的属性

非阻塞方式对管道和FIFO的影响（设置方式：

open时指定O_NONBLOCK；或使用fcntl使能O_NONBLOCK标志）：

当前操作

管道或FIFO的现有打开操作

阻塞（缺省）时返回

O_NONBLOCK时返回

openFIFO只读

FIFO打开来写

成功返回

FIFO不是打开来写

阻塞到FIFO打开来写为止

成功返回

openFIFO只写

FIFO打开来读

成功返回

FIFO不是打开来读

阻塞到FIFO打开来读为止

返回ENXIO错误

从空管道或空FIFOread

管道或FIFO打开来写

阻塞到管道或FIFO中有数据或管道或FIFO不再为写打开为止

返回EAGAIN错误

管道或FIFO不是打开来写

read返回0（文件结束符）

往管道或FIFOwrite

管道或FIFO打开来读

（见如下说明）

管道或FIFO不是打开来读

给线程产生SIGPIPE

其他规则：

如果请求读出的数据量多于管道或FIFO中当前可用数据量，那么只返回这些可用的数据。

如果请求写入的数据的字节数小于或等于PIPE_BUF（一个Posix限制值），那么write操作保证是原子的。

O_NONBLOCK标志的设置对于write操作的原子性没有影响。

然而当一个管道或FIFO设置成非阻塞时，来自write的返回值取决于待写的字节数以及该管道或FIFO中当前可用空间的大小。

如果待写的字节数小于等于PIPE_BUF：

（1）如果该管道或FIFO中有足以存放所请求字节数的空间，那么所有数据字节都写入；

（2）如果该管道或FIFO中没有足以存放所请求字节数的空间，那么立即返回一个EAGAIN错误。

如果待写的字节数大于PIPE_BUF：

（1）如果该管道或FIFO中至少有1字节空间，那么内核写入该管道或FIFO能容纳数目的数据字节，该数目同时作为来自write的返回值；

（2）如果该管道或FIFO已满，那么立即返回一个EAGAIN错误。

如果写入一个没有打开着用于读的管道或FIFO，那么内核将产生一个SIGPIPE信号。

该信号的缺省动作是终止进程。

如果调用进程忽略了该信号，或捕获了该信号并从其信号处理程序中返回，那么write返回一个EPIPE错误。

处理SIGPIPE信号的最容易方法是忽略它，让write返回EPIPE错误，应用应该检查write的返回值。

注意：

使用管道的程序，一定要为SIGPIPE信号做好准备。

4.管道和FIFO的限制

系统加于管道和FIFO的唯一限制是：

∙ OPEN_MAX：

一个进程在任意时刻打开的最大描述字数。

∙ PIPE_BUF：

可原子的写往一个管道或FIFO的最大数据量。

OPEN_MAX的值可通过sysconf函数查询。

PIPE_BUF的值通常定义在中，但也可在运行时通过调用pathconf或fpathconf取得。

尽管针对管道的PIPE_BUF能够修改，但具体依赖于路径名所存放的底层文件系统，实际应该很少这么做。

5.pipe函数

#include

intpipe（intfd[2]）;

成功时为0，出错时为-1。

创建一个管道，函数返回两个描述字：

fd[0]和fd[1]，前者打开来读，后者打开来写。

宏S_ISFIFO可用于确定一个描述字或文件是否或是管道，或是FIFO。

它的唯一参数是stat结构的st_mode成员，计算结果或为真（非零），或者为假（0）。

管道是通过内核运作的，使用管道传输的每个字节的数据都穿越了用户-内核接口两次：

一次是在写入管道时，一次是在从管道读出时。

注意：

对管道的read只要该管道中存在一些数据就会马上返回；它不必等待达到所请求的字节数。

6.popen和pclose

#include

FILE*popen（constchar*command,constchar*type）;

成功时为文件指针，出错时为NULL。

intpclose（FILE*stream）;

成功时为shell的终止状态，出错时为-1。

popen函数创建一个管道并启动另一个进程，该进程或者从该管道读出标准输入，或者往该管道写入标准输出。

其中command是一个shell命令行，它由sh程序处理。

popen在调用进程和所指定的命令之间创建一个管道，由popen返回的值是一个标准I/OFILE指针，该指针或者用于输入，或者用于输出，具体取决于字符串type：

∙ 如果type为r，那么调用进程读进command的标准输出。

∙ 如果type为w，那么调用进程写到command的标准输入。

pclose函数关闭由popen创建的标准I/O流stream，等待其中的命令终止，然后返回shell的终止状态。

7.mkfifo函数

#include>

#include

intmkfifo（constchar*pathname,mode_tmode）;

成功是为0，出错时为-1。

FIFO类似于管道，它是一个单向（半双工）数据流，每个FIFO有一个路径名与之关联，从而允许无亲缘关系的进程访问同一个FIFO，也称为有名管道（namedpipe）。

FIFO由mkfifo创建。

其中pahtname是一个普通的UNIX路径名，它是该FIFO的名字，mode参数指定文件权限位，类似于open的第三个参数。

mkfifo已经隐含指定O_CREAT|O_EXCL，即要么创建一个新的FIFO，要么返回一个EEXIST错误。

一个FIFO创建完毕后，它必须或者打开来读，或者打开来写，它不能打开来既读又写，因为它是半双工的。

对管道或FIFO的write总是往末尾添加数据，对它们的read总是从开头返回数据。

如果对管道或FIFO调用lseek，将返回ESPIPE错误。

打开FIFO进行处理有时序上的问题。

如果当前没有任何进程打开某个FIFO来写，那么打开该FIFO来读的进程将阻塞。

所以在多进程操作FIFO时要防止死琐的产生。

8.SystemVIPC共性描述

SystemVIPC指以下三种类型的IPC：

∙ SystemV消息队列

∙ SystemV信号灯

∙ SystemV共享内存区

所有SystemVIPC函数列表：

消息队列

信号灯

共享内存区

头文件

sys/msg.h

sys/sem.h

sys/shm.h

创建或打开函数

msgget

semget

shmget

控制操作函数

msgctl

semctl

shmctl

操作函数

msgsnd

msgrcv

semop

shmat

shmdt

key_t键和ftok函数

SystemVIPC使用key_t值作为它们的名字。

头文件把key_t定义为一个整数，它通常是一个至少32位的整数。

这些整数通常是由ftok函数赋予的。

ftok函数把一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成一个key_t值，称为IPC键（IPCkey）：

#include

key_tftok（constchar*pahtname,intid）;

成功时为IPC键，出错时为-1。

如果pathname不存在，或者对调用进程不可访问，ftok返回-1。

注意：

∙ 不能保证两个不同的路径名与同一个id值的组合产生不同的键。

∙ 用于产生键的pahtname不能是服务器存活期间由它反复创建并删除的文件，否则会导致ftok多次调用返回不同的值。

ipc_perm结构

内核为每个IPC对象维护一个信息结构：

structipc_perm{

uid_tuid;/*owner'suserid*/

gid_tgid;/*owner'sgroupid*/

uid_tcuid;/*creator'suserid*/

gid_tcgid;/*creator'sgroupid*/

mode_tmode;/*accessmodes*/

ulong_tseq;/*slotusagesequencenumber*/

key_tkey;/*key*/

};

创建与打开IPC对象

创建或打开一个IPC对象需要一个类型为key_t的IPC键，对此键，应用有两种选择：

1. 调用ftok，给它传递pathname和id；

2. 指定IPC_PRIVATE，它保证创建一个新的、唯一的IPC对象。

创建或打开一个IPC对象函数共同的另一个参数是oflag，它指定IPC对象的读写权限位（ipc_perm结构中的mode成员），并选择是创建一个新的IPC对象还是访问一个存在的IPC对象。

选择的规则如下：

oflag标志

不存在

已存在

无特殊标志

出错，errno=ENOENT

成功，引用已存在对象

IPC_CREAT

成功，创建新对象

成功，引用已存在对象

IPC_CREAT|IPC_EXCL

成功，创建新对象

出错，errno=EEXIST

注意：

设置IPC_EXCL但不设置IPC_CREAT没有意义。

权限位的设置如下（八进制）：

∙ 0400：

由用户（属主）读；

∙ 0200：

由用户（属主）写；

∙ 0040：

由（属）组成员读；

∙ 0020：

由（属）组成员写；

∙ 0004：

由其他用户读；

∙ 0002：

由其他用户写；

oflag由选择参数和权限参数组合而成。

ipc_perm结构的cuid和cgid成员分别设置为调用进程的有效用户ID和有效组ID，这两个成员合称为创建者ID。

ipc_perm结构的uid和gid成员也分别设置为调用进程的有效用户ID和有效组ID，这两个成员合称为属主ID。

ipc_perm结构中的seq成员是一个槽位使用情况序列号。

该变量是一个由内核为在系统中的每个潜在的IPC对象维护的计数器。

每当删除一个IPC对象时，内核就递增相应的槽位号，若溢出则循环回0。

这避免在短时间内重用IPC标识符。

9.msqid_ds结构

对于系统中的每个SystemV消息队列，内核维护一个如下的结构：

structmsqid_ds{

structipc_permmsg_perm;/*operationpermissionstruct*/

structmsg*msg_first;/*ptrtofirstmessageonq*/

structmsg*msg_last;/*ptrtolastmessageonq*/

unsignedshortmsg_cbytes;/*current#bytesonq*/

msgqnum_tmsg_qnum;/*#ofmessagesonq*/

msglen_tmsg_qbytes;/*max#ofbytesonq*/

pid_tmsg_lspid;/*pidoflastmsgsnd*/

pid_tmsg_lrpid;/*pidoflastmsgrcv*/

time_tmsg_stime;/*lastmsgsndtime*/

time_tmsg_rtime;/*lastmsgrcvtime*/

time_tmsg_ctime;/*lastchangetime*/

};

10.msgget函数

#include

intmsgget（key_tkey,intoflag）;

成功时为非负标识符，出错时为-1。

用于创建一个新的SystemV消息队列或访问一个已经存在的消息队列。

参数key和oflag的说明见前。

返回值是一个整数标识符，其他三个msg函数用它来指代该队列。

当创建一个消息队列时，msqid_ds结构的如下成员被初始化：

∙ msg_perm结构的uid和cuid被设置为当前进程的有效用户ID，gid和cgid被设置为当前用户的有效组ID；

∙ oflag中的读写权限位存放在msg_perm.mode中；

∙ msg_qnum、msg_lspid、msg_lrpid、msg_stime和msg_rtime被置为0；

∙ msg_ctime被设置成当前时间；

∙ msg_qbytes被设置为系统限制值。

11.msgsnd函数

#include

intmsgsnd（intmsgid,constvoid*ptr,size_tlength,intflag）;

成功时为0，出错时为-1。

该函数用于往消息队列上放置一个消息。

msgid是msgget返回的标识符，ptr是一个结构指针，该结构有如下的模板：

structmsgbuf{

longmtype;/*messagetype,mustbe>0*/

charmtext[1];/*messagedata*/

};

消息类型mtype必须大于0，因为非正消息类型有特殊的指示作用。

length参数以字节为单位指定待发送消息的长度。

这是位于长整数消息类型之后的用户自定义数据的长度，该长度可以是0。

flag参数可以是0，也可以是IPC_NOWAIT。

IPC_NOWAIT标志使得msgsnd调用非阻塞。

当有如下情形之一时：

1. 在指定的队列中已经有太多的字节（对应msqid_ds结构中的msg_qbytes值）；

2. 在系统范围存在太多的消息。

若设置了IPC_NOWAIT，则msgsnd立即返回，返回一个EAGAIN错误。

若未指定该标志，则msgsnd阻塞，直到：

1. 具备存放新消息的空间；

2. 有msgid标识的消息队列被删除，此时返回EIDRM错误；

3. 被信号中断，此时返回EINTR错误。

12.msgrcv函数

#include

ssize_tmsgrcv（intmsqid,void*ptr,size_tlength,longtype,intflag）;

成功时为读入缓冲区中数据的字节数，出错时为-1。

该函数从某个消息队列中读出一个消息。

ptr参数指定所接收消息的存放位置。

跟msgsnd一样，该指针指向紧挨在真正的消息数据之前返回的长整数类型字段。

length指定由ptr指向的缓冲区中数据部分的大小。

这是该函数能返回的最大数据量。

该长度不包含长整数类型字段。

type指定希望从所给定的队列中读出什么样的消息：

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