嵌入式课堂整理8

嵌入式Linux多任务:进程、线程
（1）硬件条件:单个CPU单个核
（2）单任务：一个任务执行完毕之后下个任务才能执行；
（3）多任务:任务的执行可以被中断,中断之后可以执行其他任务； （并发/并行)
（4）单核CPU:并发
（5）多核的CPU:并发,并行
一、进程实现多任务
1.特点:给每个进程分配独立的地址空间, 4G的大小!(1G内核, 3G用户空间:栈、堆、数据段、代码段) ;互不干扰;
2.进程创建方式: fork>exec函数族>system>vfork;
3.进程的退出: exit ()库函数:清理缓冲
_exit()系统调用API:不清理缓冲
4.进程等待: wait () ; 解决:僵尸进程
<僵尸进程、孤儿进程、守护进程、控制台进程、后台进程>
5.学习目标：学会创建多任务程序：进程；
二、进程间通信-IPC
1.原理:尽管进程空间是各自独立的,相互之间没有任何可以共享的空间,但是至少还有一样东西是所有进程所共享的,那就是OS,因为不管运行有多少个进程,但它们共用OS只有一个。
既然大家共用的是同一个OS,那么显然,所有的进程可以通过大家都共享第三方0S来实现数据的转发。
2.因此进程间通信的原理就是, OS作为所有进程共享的第三方,会提供相关的机制,以实现进程间数据的转发,达到数据共享的目的。
广义上的进程间通信: A进程-文件-B进程或A进程-数据库-B进程
3.通过普通文件通信

结果：通信成功

三、侠义上的真正的“进程间通信" (内核提供) :
1、管道
①无名管道
特点:管道只允许具有血缘关系的进程间通信,如父子进程间的通信;
管道只允许单向通信；
读管道时,如果没有数据的话,读操作会休眠(阻塞) ,写数据时,缓冲区写满会休眠(阻塞）。
函数原型
头文件: #include <unistd.h>
函数: int pipe(int pipefd[2);
参数:缓存地址,缓存用于存放读写管道的文件描述符。从这个参数的样子可以看出,这个缓存就是一个拥有两个元素的int型数组。
（1）元素[0]:里面放的是读管道的读文件描述符
（2）元素[1]:里面放的是写管道的写文件描述符。
功能:创建一个用于亲缘进程(父子进程)之间通信的无名管道(缓存) ,并将管道与两个读写文件描述符关联起来。特别需要注意的是，这两个读和写文件描述符，是两个不同的文件描述符。
注意：创建管道需要在创建子进程之前，因为如果创建在其之后，那么父子进程会各自创建一个管道，此时就有两个管道，因而不能实现通信。

②有名管道
特点:任意两个进程通信;
使用一个"有名管道"是无法实现双向通信的,因为也涉及到抢数据的问题;
函数原型
头文件: #include <unistd.h>
函数: int mkfifo(const char *pathname,
mode_t mode);
参数:
（1）pathname:被创建管道文件的文件路径名。
（2）mode:指定被创建时原始权限,一般为0664 (110110100) ,必须包含读写权限。
返回值：成功返回0,失败则返回-1,并且errno被设置。
功能:创建有名管道文件,创建好后便可使用open打开。
如果是创建普通文件的话,我们可以使用open的O_CREAT选项来创建,比如: open("./file",O_RDWR|O_CREAT, 0664);是对于"有名管道"这种特殊文件,这里只能使用mkfifo函数来创建。
有名管道用完后系统自动清除
使用步骤：（1）进程调用mkfifo创建有名管道
（2）open打开有名管道
（3）read/write读写管道进行通信
有名管道相比较于无名管道的优点:能够实现任意两个进程间的通信
两者都存在的缺点:只允许单向通信且会阻塞有名管道。改进:设置两个管道,一个用来读,一个用来写可以解决单向通信
创建有名管道

子进程实现写操作

父进程实现读操作

结果：

以上是父子进程间的有名管道通信，除此以外，任意两个进程也可以实现有名管道实现通信。
write.c

2、消息队列
消息队列的本质就是由内核创建的用于存放消息的链表,由于是存放消息的,所以我们就把这个链表称为消息队列。
特点:传送有格式的消息流;多进程网状交叉通信时,消息队列是上上之选;能实现大规模数据的通信;
使用步骤:
①使用msgget函数创建新的消息队列、或者获取已存在的某个消息队列,并返回唯一标识消息队列的标识符(msqID) ,后续收发消息就是使用这个标识符来实现的。
int msgget(key_t key，int msgflg);
头文件:
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/msg.h>
参数:
key值用于为消息队列生成(计算出)唯一的消息队列ID。
使用ftok函数来生成key
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
key_t ftok（const char *pathname，int proj_id）;
ftok通过指定路径名和一个整型数,就可以计算并返回一个唯一对应的key值,
只要路径名和整型数不变,所对应的key值就唯一不变的。
不过由于ftok只会使用整型数(proj_id)的低8位,因此我们往往会指定为一个ASCII码值,因为ASCII码值刚好是8位的整形数。
msgfig:指定创建时的原始权限,比如0664
返回值:
成功:返回消息队列标识符(消息队列的ID)对于每一个创建好的消息队列来说, ID是固定的。
失败:失败返回-1,并设置errno。
②收发消息
发送消息:
1)进程先封装一个消息包
这个消息包其实就是如下类型的一个结构体变量,封包时将消息编号和消息正文写到结构体的成员中。
struct msgbuf
｛long mtype;/放消息编号,必须>0/
char mtext[msgsz)]/*消息内容(消息正文) *
};
2)调用相应的API发送消息
msgsnd(int msqid, const void *msgp，
size_t msgsz，int msgflg）;
参数:
msqid:消息队列的标识符。
msgp:存放消息的缓存的地址,类型struct msgbuf类型,这个缓存就是一个消息包(存放消息的结构体变量) 。
msgsz:消息正文大小。
msgflg:
a) 0:阻塞发送消息
也就是说，如果没有发送成功的话,该函数会一直阻塞等,直到发送成功为止。
-IPC_NOWAIT:非阻塞方式发送消息,不管发送成功与否,函数都将返回。也就是说，发送不成功的话，函数不会阻塞。
3）接受消息:
ssize_t mgrcv (int msqid, void *msgp,size_t msgsz，long msgtyp, int msgflg);
参数:
msqid:消息队列的标识符。
msgp:缓存地址,缓存用于存放所接收的消息,类型还是struct msgbuf:
msgsz:消息正文的大小
msgtyp:要接收消息的编号
int msglg：
a) 0:阻塞接收消息
也就是说如果没有消息时,接收回阻塞（休眠）。
IPC _NOWAIT：非阻塞接收消息，即没有消息时，该函数不阻塞。
③使用msgctl函数，利用消息队列标识符删除消息队列。
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
参数：
msqid：消息队列标识符
cmd：控制选项，其实cmd有很多选项，这里只简单介绍三个
IPC_STAT：将msqid消息队列的属性信息，读到第三个参数所指定的缓存。
IPC_SET：使用第三个参数中的新设置去修改消息队列的属性

• 定一个struct msqid_ds buf。
• 将新的属性信息设置到buf中
• cmd指定为IPC_SET后，msgctl函数就会使用buf中的新属性去修改消息队列原有的属性。
  IPC_RMID：删除消息队列
  删除消息队列时，用不到第三个参数，用不到时设置为NULL。
  buf：存放属性信息，如果是删除队列则为NULL
  3、共享内存
  让同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新。
  特点：减少进入内核空间的次数；直接使用地址来读写缓存时，效率会更高，适用于大数据量的通信；
  使用步骤
  ①进程调用shmget函数创建新的或获取已有共享内存
  int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
  参数：
  key：用于生成共享内存的标识符，同消息队列key值。
  size：指定共享内存的大小，我们一般要求size是虚拟页大小的整数倍。一般来说虚拟页大小是4k（4096字节），如果你指定的大小不是虚拟页的整数倍，也会自动补成整数倍。
  semflg：与消息队列一样指定原始权限和。IPC_CREAT，比如0664|IPC_CREAT。
  当在创建一个新的共享内存时才会用到，否者不会用到。
  ②进程调用shmat函数，将物理内存映射到自己的进程空间（因为进程不能直接访问物理内存）
  void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  功能：将shmid所指向的共享内存空间映射到进程空间（虚拟内存空间），并返回映射后的起始地址（虚拟地址），有了这个地址后，就可以通过这个地址对共享内存进行读写操作。
  参数：
  shmid：共享内存标识符。
  shmaddr：指定映射的起始地址 NULL：表示由内核自己来选择映射的起始地址（虚拟地址）。
  这是最常见的方式，也是最合理的方式，因为只有内核自己才知道哪些虚拟地址可用，哪些不可用。
  shmflg：指定映射条件。
  0：以可读可写的方式映射共享内存
  也就是说映射后，可以读、也可以写共享内存。
  SHM_RDONLY：以只读方式映射共享内存
  也就是说映射后，只能读共享内存，不能写。
  ③shmdt函数，取消映射
  int shmdt(const void *shmaddr);
  ④调用shmctl函数释放开辟的那片物理内存空间
  int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  结果：
  4、信号量
  当多个进程/线程进行共享操作时，用于资源保护，以防止出现相互干扰的情况
  资源保护的操作：
  ①互斥：对于互斥间不关心操作来说，多进程共享操作时，多个进程谁先操作、谁后操作的先后顺序问题，它们只关心一件事，那就是我在操作时别人不能操作。
  ②同步：所以所谓同步就是，多个共享操作时，进程必须要有统一操作的步调，按照一定的顺序来操作
  实现互斥和同步的方法：加锁
  信号量其实是OS创建的一个共享变量，进程在进行操作之前，会先检查这个变量的值，这变量的值就是一个标记，通过这个标记就可以知道可不可以操作，以实现互斥。
  使用步骤：（互斥）
  ①进程调用semget函数创建新的信号量集合，或者获取已有的信号量集合。
  int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
  参数：
  key：设置同消息队列和共享内存。一般都使用ftok获取key值。
  nsems：指定集合中信号量的个数。用于互斥时，数量都指定为1，因为只需要一个信号量。
  semflg：设置同消息队列和共享内存。一般都设置为0664|IPC_CREAT。
  返回值：调用成功则返回信号量集合的标识符，失败则返回-1，并且errno被设置。
  在这里插入图片描述
  ②调用semctl函数给集合中的每个信号量设置初始值
  int semctl(int semid, int semnum, int cmd, …);
  参数：
  semid：信号量标识符。通过标识符就能找到信号量集合。
  semnum：集合中某个信号量的编号。信号量的编号为非负整数，而且是自动从0开始编号的。
  cmd：控制选项。
  SETVAL：通过第四个参数，给集合中semnu编号的信号量设置一个int初始值。
  如果是二值信号量的话，设置初始值要么是0，要么是1，如果信号量的目的是互斥的话，基本都是设置为1。
  ③调用semop函数，对集合中的信号量进行pv操作（加锁解锁）
  P操作（加锁）：对信号量的值进行-1，如果信号量的值为0，p操作就会阻塞
  V操作（解锁）：对信号量的值进行+1，V操作不存在阻塞的问题
  int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
  参数：
  semid：信号量集合的标识符。
  sops：这个参数更好理解的写法是struct sembuf sops[]，
  nsops：用于指定数组元素个数的。
  结构体成员
  struct sembuf
  {
  unsigned short sem_num;
  short sem_op;
  short sem_flg;
  }
  这个结构体不需要我们自己定义，因为在semop的头文件中已经定义了。
  sem_num：信号量编号，决定对集合中哪一个信号量进行pv操作
  sem_op：设置为-1，表示想-1进行p操作，设置1表示想+1进行v操作
  sem_flg：
  IPC_NOWAIT： 一般情况下，当信号量的值为0时进行p操作的话，semop的p操作会阻塞。如果不想阻塞的话，可以指定这个选项，NOWAIT就是不阻塞的意思。
  -SEM_UNDO：防止死锁，还是以二值信号量为例，当进程在v操作之前就结束时，信号量的值就会一直保持为0，那么其它进程将永远无法p操作成功，会使得进程永远休眠下去，这造成就是死锁。
  ④调用semctl删除信号量集合
  结果：没有乱码