進(jìn)程間通信(IPC，Inter-Process Communication)是指在不同進(jìn)程間傳播或交換信息。

IPC的方式通常有管道(包括無名管道和命名管道)、消息隊(duì)列、信號(hào)量、共享存儲(chǔ)、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主機(jī)上的兩個(gè)進(jìn)程IPC。

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一、管道

管道，通常指無名管道，是 UNIX 系統(tǒng)IPC最古老的形式。

1. 特點(diǎn)

• 半雙工(數(shù)據(jù)流向僅有一個(gè)方向)，具有固定的讀端和寫端
• 只能用于父進(jìn)程或兄弟線程之間通信(具有血緣關(guān)系的線程之間)
• 一種特殊文件，可以用普通的read、write函數(shù)進(jìn)行讀寫，但又不是普通文件，不屬于任何其它文件系統(tǒng)，僅存在于內(nèi)存之中

2. 原型

#include <unistd.h> 
int pipe(int fd[2]); // 返回值：若成功返回0，失敗返回-1 

當(dāng)一個(gè)管道建立時(shí)，它會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)文件描述符：fd[0]為讀而打開，fd[1]為寫而打開。要關(guān)閉管道只需要關(guān)閉這兩個(gè)文件描述符即可。如下圖：

3. 例子

單個(gè)進(jìn)程中的管道幾乎沒有任何用處。所以，通常調(diào)用 pipe 的進(jìn)程接著調(diào)用 fork，這樣就創(chuàng)建了父進(jìn)程與子進(jìn)程之間的 IPC 通道。如下圖所示：

fork之后的半雙工管道

從父進(jìn)程到子進(jìn)程之間的管道

若要數(shù)據(jù)流從父進(jìn)程流向子進(jìn)程，則關(guān)閉父進(jìn)程的讀端(fd[0])與子進(jìn)程的寫端(fd[1]);反之，則可以使數(shù)據(jù)流從子進(jìn)程流向父進(jìn)程。

#include<stdio.h> 
#include<unistd.h> 
 
int main() 
{ 
 int fd[2]; // 兩個(gè)文件描述符 
 pid_t pid; 
 char buff[20]; 
 
 if(pipe(fd) < 0) // 創(chuàng)建管道 
 printf("Create Pipe Error!\n"); 
 
 if((pid = fork()) < 0) // 創(chuàng)建子進(jìn)程 
 printf("Fork Error!\n"); 
 else if(pid > 0) // 父進(jìn)程 
 { 
 close(fd[0]); // 關(guān)閉讀端 
 write(fd[1], "hello world\n", 12); 
 } 
 else 
 { 
 close(fd[1]); // 關(guān)閉寫端 
 read(fd[0], buff, 20); 
 printf("%s", buff); 
 } 
 
 return 0; 
} 

二、命名管道(FIFO)

FIFO，也稱為命名管道，它是一種文件類型。

1. 特點(diǎn)

• 與無名管道不同，命名管道可以在無關(guān)進(jìn)程間通信
• FIFO以一種特殊設(shè)備文件形式存在于文件系統(tǒng)中，有路徑名與之關(guān)聯(lián)

2. 原型

#include <sys/stat.h> 
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); // 返回值：成功返回0，出錯(cuò)返回-1 

其中的 mode 參數(shù)與下文中open函數(shù)中的 mode 相同

3. 例子

wirte：

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> // exit 
#include<fcntl.h> // O_WRONLY 
#include<sys/stat.h> 
#include<time.h> // time 
 
int main() 
{ 
 int fd; 
 int n, i; 
 char buf[1024]; 
 time_t tp; 
 
 printf("I am %d process.\n", getpid()); // 說明進(jìn)程ID 
 //當(dāng) open 一個(gè)FIFO時(shí)，是否設(shè)置非阻塞標(biāo)志（O_NONBLOCK）的區(qū)別： 
 
//若沒有指定O_NONBLOCK（默認(rèn)），只讀 open 要阻塞到某個(gè)其他進(jìn)程為寫而打開此 FIFO。類似的，只寫 open 要阻塞到某個(gè)其他進(jìn)程為讀而打開它。 
 
若指定了O_NONBLOCK，則只讀 open 立即返回。而只寫 open 將出錯(cuò)返回 -1 如果沒有進(jìn)程已經(jīng)為讀而打開該 FIFO，其errno置ENXIO。 
 if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以寫打開一個(gè)FIFO  
 { 
 perror("Open FIFO Failed"); 
 exit(1); 
 } 
 
 for(i=0; i<10; ++i) 
 { 
 time(&tp); // 取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間 
 n=sprintf(buf,"Process %d's time is %s",getpid(),ctime(&tp)); 
 printf("Send message: %s", buf); // 打印 
 if(write(fd, buf, n+1) < 0) // 寫入到FIFO中 
 { 
 perror("Write FIFO Failed"); 
 close(fd); 
 exit(1); 
 } 
 sleep(1); // 休眠1秒 
 } 
 
 close(fd); // 關(guān)閉FIFO文件 
 return 0; 
} 

read：

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<errno.h> 
#include<fcntl.h> 
#include<sys/stat.h> 
 
int main() 
{ 
 int fd; 
 int len; 
 char buf[1024]; 
 
 if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 創(chuàng)建FIFO管道 
 perror("Create FIFO Failed"); 
 
 if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0) // 以讀打開FIFO 
 { 
 perror("Open FIFO Failed"); 
 exit(1); 
 } 
  
 while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 讀取FIFO管道 
 printf("Read message: %s", buf); 
 
 close(fd); // 關(guān)閉FIFO文件 
 return 0; 
} 

三、消息隊(duì)列

消息隊(duì)列，是消息的鏈接表，存放在內(nèi)核中。一個(gè)消息隊(duì)列由一個(gè)標(biāo)識(shí)符(即隊(duì)列ID)來標(biāo)識(shí)。

1. 特點(diǎn)

• 消息隊(duì)列是面向記錄的，其中的消息具有特定的格式以及特定的優(yōu)先級(jí)
• 消息隊(duì)列獨(dú)立于發(fā)送與接收進(jìn)程。進(jìn)程終止時(shí)，消息隊(duì)列及其內(nèi)容并不會(huì)被刪除
• 消息隊(duì)列可以實(shí)現(xiàn)消息的隨機(jī)查詢, 消息不一定要以先進(jìn)先出的次序讀取,也可以按消息的類型讀取

2. 原型

#include <sys/msg.h> 
// 創(chuàng)建或打開消息隊(duì)列：成功返回隊(duì)列ID，失敗返回-1 
int msgget(key_t key, int flag); 
// 添加消息：成功返回0，失敗返回-1 
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag); 
// 讀取消息：成功返回消息數(shù)據(jù)的長度，失敗返回-1 
int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag); 
// 控制消息隊(duì)列：成功返回0，失敗返回-1 
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf); 

在以下兩種情況下，msgget將創(chuàng)建一個(gè)新的消息隊(duì)列：

• 如果沒有與鍵值key相對(duì)應(yīng)的消息隊(duì)列，并且flag中包含了IPC_CREAT標(biāo)志位。
• key參數(shù)為IPC_PRIVATE。

函數(shù)msgrcv在讀取消息隊(duì)列時(shí)，type參數(shù)有下面幾種情況：

• type == 0，返回隊(duì)列中的第一個(gè)消息;
• type > 0，返回隊(duì)列中消息類型為 type 的第一個(gè)消息;
• type < 0，返回隊(duì)列中消息類型值小于或等于 type 絕對(duì)值的消息，如果有多個(gè)，則取類型值最小的消息。

可以看出，type值非 0 時(shí)用于以非先進(jìn)先出次序讀消息。也可以把 type 看做優(yōu)先級(jí)的權(quán)值。

3. 例子

msg_server：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/msg.h> 
 
// 用于創(chuàng)建一個(gè)唯一的key 
#define MSG_FILE "/etc/passwd" 
 
// 消息結(jié)構(gòu) 
struct msg_form { 
 long mtype; 
 char mtext[256]; 
}; 
 
int main() 
{ 
 int msqid; 
 key_t key; 
 struct msg_form msg; 
  
 // 獲取key值 
 if((key = ftok(MSG_FILE,'z')) < 0) 
 { 
 perror("ftok error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印key值 
 printf("Message Queue - Server key is: %d.\n", key); 
 
 // 創(chuàng)建消息隊(duì)列 
 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) 
 { 
 perror("msgget error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印消息隊(duì)列ID及進(jìn)程ID 
 printf("My msqid is: %d.\n", msqid); 
 printf("My pid is: %d.\n", getpid()); 
 
 // 循環(huán)讀取消息 
 for(;;)  
 { 
 msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回類型為888的第一個(gè)消息 
 printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); 
 printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); 
 
 msg.mtype = 999; // 客戶端接收的消息類型 
 sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid()); 
 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); 
 } 
 return 0; 
} 

msg_client：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/msg.h> 
 
// 用于創(chuàng)建一個(gè)唯一的key 
#define MSG_FILE "/etc/passwd" 
 
// 消息結(jié)構(gòu) 
struct msg_form { 
 long mtype; 
 char mtext[256]; 
}; 
 
int main() 
{ 
 int msqid; 
 key_t key; 
 struct msg_form msg; 
 
 // 獲取key值 
 if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z')) < 0)  
 { 
 perror("ftok error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印key值 
 printf("Message Queue - Client key is: %d.\n", key); 
 
 // 打開消息隊(duì)列 
 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)  
 { 
 perror("msgget error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印消息隊(duì)列ID及進(jìn)程ID 
 printf("My msqid is: %d.\n", msqid); 
 printf("My pid is: %d.\n", getpid()); 
 
 // 添加消息，類型為888 
 msg.mtype = 888; 
 sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid()); 
 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); 
 
 // 讀取類型為777的消息 
 msgrcv(msqid, &msg, 256, 999, 0); 
 printf("Client: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); 
 printf("Client: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); 
 return 0; 
} 

四、信號(hào)量

信號(hào)量(semaphore)與已經(jīng)介紹過的 IPC 結(jié)構(gòu)不同，它是一個(gè)計(jì)數(shù)器。信號(hào)量用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥與同步，而不是用于存儲(chǔ)進(jìn)程間通信數(shù)據(jù)。

1. 特點(diǎn)

• 信號(hào)量用于進(jìn)程間同步，若要在進(jìn)程間傳遞數(shù)據(jù)需要結(jié)合共享內(nèi)存
• 信號(hào)量基于操作系統(tǒng)的 PV 操作，程序?qū)π盘?hào)量的操作都是原子操作
• 每次對(duì)信號(hào)量的 PV 操作不僅限于對(duì)信號(hào)量值加 1 或減 1，而且可以加減任意正整數(shù)
• 支持信號(hào)量組

2. 原型

最簡單的信號(hào)量是只能取 0 和 1 的變量，這也是信號(hào)量最常見的一種形式，叫做二值信號(hào)量(Binary Semaphore)。而可以取多個(gè)正整數(shù)的信號(hào)量被稱為通用信號(hào)量。

Linux 下的信號(hào)量函數(shù)都是在通用的信號(hào)量數(shù)組上進(jìn)行操作，而不是在一個(gè)單一的二值信號(hào)量上進(jìn)行操作。

#include <sys/sem.h> 
// 創(chuàng)建或獲取一個(gè)信號(hào)量組：若成功返回信號(hào)量集ID，失敗返回-1 
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); 
// 對(duì)信號(hào)量組進(jìn)行操作，改變信號(hào)量的值：成功返回0，失敗返回-1 
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
// 控制信號(hào)量的相關(guān)信息 
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...); 

當(dāng)semget創(chuàng)建新的信號(hào)量集合時(shí)，必須指定集合中信號(hào)量的個(gè)數(shù)(即num_sems)，通常為1; 如果是引用一個(gè)現(xiàn)有的集合，則將num_sems指定為 0 。

在semop函數(shù)中，sembuf結(jié)構(gòu)的定義如下：

struct sembuf  
{ 
 short sem_num; // 信號(hào)量組中對(duì)應(yīng)的序號(hào)，0～sem_nums-1 
 short sem_op; // 信號(hào)量值在一次操作中的改變量 
 short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO 
} 

五、共享內(nèi)存

1. 特點(diǎn)

• 共享內(nèi)存是最快的一種 IPC，因?yàn)檫M(jìn)程是直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行存取
• 因?yàn)槎鄠€(gè)進(jìn)程可以同時(shí)操作，所以需要進(jìn)行同步
• 信號(hào)量+共享內(nèi)存通常結(jié)合在一起使用，信號(hào)量用來同步對(duì)共享內(nèi)存的訪問

2. 原型

#include <sys/shm.h> 
// 創(chuàng)建或獲取一個(gè)共享內(nèi)存：成功返回共享內(nèi)存ID，失敗返回-1 
int shmget(key_t key, size_t size, int flag); 
// 連接共享內(nèi)存到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間：成功返回指向共享內(nèi)存的指針，失敗返回-1 
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag); 
// 斷開與共享內(nèi)存的連接：成功返回0，失敗返回-1 
int shmdt(void *addr);  
// 控制共享內(nèi)存的相關(guān)信息：成功返回0，失敗返回-1 
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf); 

當(dāng)用shmget函數(shù)創(chuàng)建一段共享內(nèi)存時(shí)，必須指定其 size;而如果引用一個(gè)已存在的共享內(nèi)存，則將 size 指定為0 。

當(dāng)一段共享內(nèi)存被創(chuàng)建以后，它并不能被任何進(jìn)程訪問。必須使用shmat函數(shù)連接該共享內(nèi)存到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間，連接成功后把共享內(nèi)存區(qū)對(duì)象映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間，隨后可像本地空間一樣訪問。

shmdt函數(shù)是用來斷開shmat建立的連接的。注意，這并不是從系統(tǒng)中刪除該共享內(nèi)存，只是當(dāng)前進(jìn)程不能再訪問該共享內(nèi)存而已。

shmctl函數(shù)可以對(duì)共享內(nèi)存執(zhí)行多種操作，根據(jù)參數(shù) cmd 執(zhí)行相應(yīng)的操作。常用的是IPC_RMID(從系統(tǒng)中刪除該共享內(nèi)存)。