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Bash中的进程间通信

2021-09-213.0k 阅读

进程间通信基础概念

在深入探讨Bash中的进程间通信（IPC, Inter - Process Communication）之前，我们先来明确一些基础概念。进程是计算机程序的一次执行实例，多个进程在操作系统中并发运行。进程间通信则是指在不同进程之间进行数据交换和信息传递的机制。

操作系统为进程间通信提供了多种方式，常见的有管道（Pipe）、信号（Signal）、共享内存（Shared Memory）、消息队列（Message Queue）和套接字（Socket）等。这些机制在不同的场景下各有优劣，Bash作为一种脚本语言，对其中部分机制有很好的支持。

管道（Pipe）

管道的基本概念

管道是一种最常用的进程间通信方式，它允许将一个进程的标准输出连接到另一个进程的标准输入。在Bash中，使用竖线（|）操作符来创建管道。从本质上来说，管道是一种半双工的通信机制，数据只能单向流动。

简单管道示例

假设我们有一个简单的场景，我们希望统计当前目录下文件的数量。我们可以结合ls命令和wc -l命令来实现，代码如下：

ls | wc -l

在这个例子中，ls命令列出当前目录下的文件和目录，其标准输出通过管道（|）作为wc -l命令的标准输入，wc -l命令统计输入的行数，也就是文件的数量。

复杂管道示例

我们还可以构建更复杂的管道。比如，我们想要在当前目录及其子目录中查找包含特定字符串的文件，并统计这些文件的数量。可以使用如下命令：

grep -r "特定字符串" . | cut -d ":" -f 1 | sort | uniq | wc -l

这里，grep -r "特定字符串" .在当前目录及其子目录中递归查找包含“特定字符串”的行，其输出通过管道传递给cut -d ":" -f 1，cut命令提取每行中第一个冒号之前的部分，即文件名。然后sort对文件名进行排序，uniq去除重复的文件名，最后wc -l统计文件的数量。

命名管道（FIFO）

普通管道只能在具有亲缘关系（如父子进程）的进程间使用，并且管道是临时的，随着最后一个使用它的进程关闭而消失。而命名管道（FIFO, First - In - First - Out）是一种特殊的文件类型，它可以在不相关的进程间进行通信。

创建命名管道可以使用mkfifo命令。例如，我们创建一个名为myfifo的命名管道：

mkfifo myfifo

然后我们可以编写两个脚本，一个用于向命名管道写入数据，另一个用于从命名管道读取数据。

写入脚本write_fifo.sh：

#!/bin/bash
echo "这是写入命名管道的数据" > myfifo

读取脚本read_fifo.sh：

#!/bin/bash
read data < myfifo
echo "从命名管道读取的数据: $data"

首先在一个终端中运行./write_fifo.sh，然后在另一个终端中运行./read_fifo.sh，就可以看到数据从一个进程传递到了另一个进程。

信号（Signal）

信号的概念

信号是一种异步通知机制，用于通知进程发生了某种特定事件。操作系统预先定义了一系列信号，每个信号都有一个唯一的编号和名称。例如，SIGTERM信号通常用于请求进程正常终止，SIGKILL信号则用于强制终止进程。

发送信号

在Bash中，可以使用kill命令向进程发送信号。例如，要向进程号为1234的进程发送SIGTERM信号，可以使用如下命令：

kill -TERM 1234

或者使用信号编号：

kill -15 1234

这里15是SIGTERM信号的编号。

捕获信号

进程可以通过编写信号处理函数来捕获并处理特定的信号。在Bash中，可以使用trap命令来设置信号处理函数。例如，我们编写一个脚本signal_catch.sh，它在接收到SIGTERM信号时执行一些清理操作：

#!/bin/bash

cleanup() {
    echo "接收到SIGTERM信号，执行清理操作"
    # 在这里添加实际的清理代码，比如关闭文件、释放资源等
}

trap cleanup TERM

# 主程序逻辑
while true; do
    echo "程序正在运行..."
    sleep 1
done

在这个脚本中，我们定义了一个cleanup函数，使用trap命令将该函数与SIGTERM信号关联起来。当脚本接收到SIGTERM信号时，会执行cleanup函数中的代码。

共享内存（Shared Memory）

共享内存概念

共享内存是一种高效的进程间通信方式，它允许不同的进程访问同一块物理内存区域。这样，进程之间可以直接读写共享内存中的数据，而无需像管道那样进行数据的复制。

在Bash中使用共享内存

在Bash中，虽然没有像C语言那样直接操作共享内存的函数，但可以通过调用系统命令ipcmk、ipcrm等来间接使用共享内存。例如，要创建一个共享内存段，可以使用ipcmk -M命令：

shmid=$(ipcmk -M 1024)
echo "共享内存段ID: $shmid"

这里创建了一个大小为1024字节的共享内存段，并将其ID存储在shmid变量中。

要删除共享内存段，可以使用ipcrm -M命令：

ipcrm -M $shmid

为了在不同进程间实际使用共享内存，通常需要编写C语言等底层语言的程序来进行内存的映射和读写操作，然后在Bash脚本中调用这些程序。

消息队列（Message Queue）

消息队列概念

消息队列是一种进程间通信机制，它允许进程向队列中发送消息，其他进程可以从队列中读取消息。消息队列提供了一种异步通信的方式，不同进程可以按照自己的节奏发送和接收消息。

在Bash中使用消息队列

在Bash中，可以通过ipcmk -Q命令创建消息队列，通过ipcrm -Q命令删除消息队列。例如，创建一个消息队列：

msgid=$(ipcmk -Q)
echo "消息队列ID: $msgid"

要向消息队列发送消息和从消息队列接收消息，同样需要编写C语言等底层语言的程序来操作。不过，我们可以简单地演示如何在Bash脚本中调用这些程序。

假设我们有一个C语言程序send_msg.c用于向消息队列发送消息：

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

#define MSG_SIZE 100

struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[MSG_SIZE];
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    int msgid;
    struct msgbuf buf;
    key_t key;

    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <message_queue_id> <message>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    msgid = atoi(argv[1]);
    strcpy(buf.mtext, argv[2]);
    buf.mtype = 1;

    if (msgsnd(msgid, &buf, strlen(buf.mtext) + 1, 0) == -1) {
        perror("msgsnd");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

还有一个C语言程序recv_msg.c用于从消息队列接收消息：

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

#define MSG_SIZE 100

struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[MSG_SIZE];
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    int msgid;
    struct msgbuf buf;
    key_t key;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <message_queue_id>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    msgid = atoi(argv[1]);

    if (msgrcv(msgid, &buf, MSG_SIZE, 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv");
        exit(1);
    }

    printf("接收到的消息: %s\n", buf.mtext);

    return 0;
}

编译这两个程序：

gcc -o send_msg send_msg.c
gcc -o recv_msg recv_msg.c

然后在Bash脚本中调用它们：

#!/bin/bash

msgid=$(ipcmk -Q)
echo "消息队列ID: $msgid"

./send_msg $msgid "这是发送到消息队列的消息"
./recv_msg $msgid

ipcrm -Q $msgid

在这个Bash脚本中，我们首先创建一个消息队列，然后调用send_msg程序向消息队列发送消息，接着调用recv_msg程序从消息队列接收消息，最后删除消息队列。

套接字（Socket）

套接字概念

套接字是一种通用的进程间通信机制，它不仅可以用于本地进程间通信，还可以用于网络通信。套接字提供了一种可靠的、双向的通信通道。

在Bash中使用套接字

在Bash中，可以通过bash_socket工具或者使用nc（netcat）命令来进行基于套接字的进程间通信。

使用nc命令进行本地套接字通信

假设我们要在本地进行两个进程间的通信，可以使用UNIX域套接字。首先创建一个UNIX域套接字文件：

mkfifo mysocket

然后在一个终端中运行监听程序：

nc -U mysocket

在另一个终端中运行发送程序：

echo "这是通过套接字发送的数据" | nc -U mysocket

这样，发送程序发送的数据就会被监听程序接收并显示。

使用bash_socket工具

bash_socket是一个可以在Bash脚本中使用的套接字库。首先需要下载并安装该库。然后可以编写如下脚本进行套接字通信：

#!/bin/bash
source bash_socket.sh

# 创建一个TCP套接字
socket_create TCP
socket_bind 127.0.0.1 12345
socket_listen 5

while true; do
    socket_accept client_socket
    echo "有新连接: $client_socket"

    socket_read client_socket data
    echo "接收到的数据: $data"

    socket_write client_socket "已收到你的消息"
    socket_close client_socket
done

这个脚本创建了一个TCP套接字，绑定到本地地址127.0.0.1的端口12345，监听最多5个连接。当有连接到来时，读取客户端发送的数据，回显“已收到你的消息”，然后关闭连接。

选择合适的进程间通信方式

在实际应用中，选择合适的进程间通信方式至关重要。

如果数据传输方向是单向的，并且数据量不是特别大，管道是一个很好的选择，尤其是对于简单的命令组合和数据处理流程。

当需要异步通知进程发生特定事件时，信号机制就非常有用，比如在程序需要优雅关闭时捕获SIGTERM信号进行清理操作。

对于大量数据的共享和高效访问，共享内存是首选，不过它需要更复杂的编程来管理内存的同步和互斥，以避免数据竞争。

消息队列适用于需要异步通信，并且消息需要按照一定顺序处理的场景，比如在分布式系统中消息的传递和处理。

套接字则是最通用的方式，无论是本地进程间通信还是网络通信都能胜任，尤其是在需要进行复杂网络交互的场景下。

在Bash脚本编程中，根据具体的需求和场景，合理选择进程间通信方式，可以使脚本更加高效、健壮地运行。通过灵活运用这些进程间通信机制，我们可以构建出功能强大、复杂的脚本应用，实现不同进程之间的协同工作和数据交互。