进程间通信方式总结

科技绿洲 2023-11-09 758

描述

进程间通信（IPC）：

进程间通信的方式有很多，这里主要讲到进程间通信的六种方式，分别为：管道、FIFO、消息队列、共享内存、信号、信号量。

一、管道

管道的特点：

是一种半双工的通信方式；
只能在具有亲缘关系的进程间使用.进程的亲缘关系一般指的是父子关系；
它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

管道的原型：

#include
int pipe(int pipefd[2]);

代码实现：

#include
#include
#include
#include

/*使用匿名管道实现进程间通信*/
int main()
{
int fd[2];//fd[0]为读端 fd[1]为写端
pid_t pid;
char buf[128];
//int pipe(int pipefd[2]);
if(pipe(fd) == -1)//创建管道
{
printf("管道创建失败n");
perror("why");
}

pid = fork();

if(pid < 0 )
{
printf("子进程开辟失败n");
perror("why");
}else if(pid > 0){

sleep(3);//让子进程先执行
printf("这是一个父进程n");//父进程完成写操作
close(fd[0]);
write(fd[1],"hello from father",strlen("hello from father"));
}else{

printf("这是一个子进程n");//子进程完成读操作
close(fd[1]);
read(fd[0],buf,sizeof(buf));//没有数据来时，阻塞在这
printf("buf = %sn",buf);
}

return 0;
}

二、FIFO

FIFO，也叫做命名管道，它是一种文件类型。

FIFO的特点：

FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同；
FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

FIFO的原型：

#include

#include

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

其中的 mode 参数与 open 函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件 I/O 函数操作它。

当 open 一个 FIFO 时，是否设置非阻塞标志（O_NONBLOCK）的区别：

若没有指定 O_NONBLOCK（默认），只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。
若指定了 O_NONBLOCK，则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO，其 errno 置 ENXIO。

代码实现：

下列代码有效解决了，当管道存在时，程序报错的问题，减少了无关错误信息的打印。

#include
#include
#include
#include
// int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

int main()
{
if(mkfifo("myfifo",0600) == -1 && errno != EEXIST)
{
printf("mkfifo failedn");
perror("why");
}

return 0;
}

read.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include

// int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

int main()
{
int nread;
char buf[30] = {'�'};

if(mkfifo("myfifo",0600) == -1 && errno != EEXIST)//创建命名管道
{
printf("mkfifo failedn");
perror("why");
}

int fd = open("./myfifo",O_RDONLY);//以只读的形式打开管道,程序阻塞在这，直到有另一个进程对其执行写操作
if(fd < 0)
{
printf("read open failedn");
}else
{
printf("read open successnn");
}

while(1)
{
nread = read(fd,buf,sizeof(buf));
printf("read %d byte,context is:%sn",nread,buf);
}

close(fd);

return 0;
}

write.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
// int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

int main()
{
int nread;
char buf[30] = "message from myfifo";

if(mkfifo("myfifo",0600) == -1 && errno != EEXIST)//创建命名管道
{
printf("mkfifo failedn");
perror("why");
}

int fd = open("./myfifo",O_WRONLY);//打开管道，程序阻塞在这，直到其他进程为读而打开它
if(fd < 0)
{
printf("write open failedn");
}
else
{
printf("write open successn");
}

while(1)
{
sleep(1);
write(fd,buf,strlen(buf));
}
close(fd);

return 0;
}

三、消息队列

消息队列，是消息的链接表，存放在内核之中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。

用户进程可以向消息队列添加消息，也可以向消息队列读取消息。

消息队列的特点：

消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级；
消息队列是独立于发送和接收进程的，进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除；
消息队列可以实现消息的随机查询，消息不一定要以先进先出的次序读取，也可以按消息的类型读取。

消息队列函数的原型：

// 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
int msgget(key_t key, int flag);
// 添加消息：成功返回0，失败返回-1
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
// 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
// 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

代码演示：

msgSend.c

#include
#include
#include
#include
#include
// int msgget(key_t key, int msgflg);
// int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

// ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
struct msgbuf{
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
};

int main()
{
struct msgbuf sendbuf={888,"message from send"};
struct msgbuf readbuf;

key_t key;

if((key = ftok(".",'z')) < 0){
printf("ftok errorn");
}
int msgId = msgget(key,IPC_CREAT|0777);

if(msgId == -1){
printf("get quen failedn");
}

msgsnd(msgId,&sendbuf,strlen(sendbuf.mtext),0);
printf("send overn");

msgrcv(msgId,&readbuf,sizeof(readbuf.mtext),999,0);
printf("read from get is:%sn",readbuf.mtext);

msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);

return 0;
}

msgGet.c

#include
#include
#include
#include
#include
// int msgget(key_t key, int msgflg);
// int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

// ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
struct msgbuf{
long mtype; /* message type, must be > 0 */
char mtext[128]; /* message data */
};

int main()
{
struct msgbuf readbuf;
memset(readbuf.mtext, '�', sizeof(readbuf.mtext));
struct msgbuf sendbuf={999,"thank for your reach"};

key_t key;

//获取key值
if((key = ftok(".",'z')) < 0){
printf("ftok errorn");
}

int msgId = msgget(key,IPC_CREAT|0777);

if(msgId == -1){
printf("get quen failedn");
perror("why");
}

msgrcv(msgId,&readbuf,sizeof(readbuf.mtext),888,0);
printf("read from send is:%sn",readbuf.mtext);

msgsnd(msgId,&sendbuf,strlen(sendbuf.mtext),0);

msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);

return 0;
}

四、共享内存

共享内存，指两个或多个进程共享一个给定的存储区。

ipcs -m 查看系统下已有的共享内存；ipcrm -m shmid可以用来删除共享内存。

共享内存的特点：

共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
信号量 + 共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。

共享内存函数的原型：

// 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void *addr);
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

代码演示：

shmw.c

#include
#include
#include
#include
#include
#include

// int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

// int shmdt(const void *shmaddr);

int main()
{
int shmId;
key_t key;
char *shmaddr;

if((key = ftok(".",1)) < 0){
printf("ftok errorn");
}

shmId = shmget(key, 1024*4, IPC_CREAT|0666);//内存大小必须得是MB的整数倍

if(shmId == -1){
printf("shmget errorn");
exit(-1);
}

/*第二个参数一般写0，让linux内核自动分配空间，第三个参数也一般写0，表示可读可写*/
shmaddr = shmat(shmId, 0, 0);
printf("shmat OKn");
strcpy(shmaddr,"I am so cool");

sleep(5);//等待5秒，让别的进程去读

shmdt(shmaddr);
shmctl(shmId, IPC_RMID, 0);//写0表示不关心
printf("quitn");

return 0;
}

shmr.c

#include
#include
#include
#include
#include

// int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

// int shmdt(const void *shmaddr);

int main()
{
int shmId;
key_t key;
char *shmaddr;

if((key = ftok(".",1)) < 0){
printf("ftok errorn");
}

shmId = shmget(key, 1024*4, 0);//内存大小必须得是MB的整数倍

if(shmId == -1){
printf("shmget errorn");
exit(-1);
}

/*第二个参数一般写0，让linux内核自动分配空间，第三个参数也一般写0，表示可读可写*/
shmaddr = shmat(shmId, 0, 0);
printf("shmat OKn");
printf("data : %sn",shmaddr);

shmdt(shmaddr);

return 0;
}

五、信号

对于 Linux来说，实际信号是软中断，许多重要的程序都需要处理信号。终端用户输入了 ctrl+c 来中断程序，会通过信号机制停止一个程序。

信号的相关概述：

1、信号的名字和编号：

每个信号都有一个名字和编号，这些名字都以“SIG”开头。我们可以通过kill -l来查看信号的名字以及序号。

不存在0信号，kill对于0信号有特殊的应用。

2、信号的处理：

信号的处理有三种方法，分别是：忽略、捕捉和默认动作。

忽略信号，大多数信号可以使用这个方式来处理，但是有两种信号不能被忽略（分别是 SIGKILL和SIGSTOP）；
捕捉信号，需要告诉内核，用户希望如何处理某一种信号，说白了就是写一个信号处理函数，然后将这个函数告诉内核。当该信号产生时，由内核来调用用户自定义的函数，以此来实现某种信号的处理。
系统默认动作，对于每个信号来说，系统都对应由默认的处理动作，当发生了该信号，系统会自动执行。具体的信号默认动作可以使用man 7 signal来查看系统的具体定义。

信号处理函数的注册：

入门版：函数signal
高级版：函数sigaction

信号处理发送函数：

入门版：kill
高级版：sigqueue

入门版：

函数原型：

//接收函数，第二个参数指向信号处理函数

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

//发送函数
int kill(pid_t pid, int sig);

接收端：

#include
#include

// typedef void (*sighandler_t)(int);

// sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
/*接受到信号后，让信号处理该函数*/
void handler(int signum)
{
printf("signum = %dn",signum);

switch(signum){
case 2:
printf("SIGINTn");
break;
case 9:
printf("SIGKILLn");
break;
case 10:
printf("SIGUSR1n");
break;
}
}

int main()
{
signal(SIGINT,handler);
signal(SIGKILL,handler);
signal(SIGUSR1,handler);

while(1);

return 0;
}

发送端：

#include
#include
#include
#include

// int kill(pid_t pid, int sig);

int main(int argc,char **argv)
{
int signum;
int pid;

signum = atoi(argv[1]);//将字符型转为整型
pid = atoi(argv[2]);

kill(pid,signum);

printf("signum = %d,pid = %dn",signum,pid);

return 0;
}

高级版：

函数原型：

#include
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction {
void (*sa_handler)(int); //信号处理程序，不接受额外数据，SIG_IGN 为忽略，SIG_DFL 为默认动作
void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信号处理程序，能够接受额外数据和sigqueue配合使用
sigset_t sa_mask;//阻塞关键字的信号集，可以再调用捕捉函数之前，把信号添加到信号阻塞字，信号捕捉函数返回之前恢复为原先的值。
int sa_flags;//影响信号的行为SA_SIGINFO表示能够接受数据
};
//回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一

我们只需要配置 sa_sigaction以及sa_flags即可。

siginfo_t {
int si_signo; /* Signal number */
int si_errno; /* An errno value */
int si_code; /* Signal code */
int si_trapno; /* Trap number that caused
hardware-generated signal
(unused on most architectures) */
pid_t si_pid; /* Sending process ID */
uid_t si_uid; /* Real user ID of sending process */
int si_status; /* Exit value or signal */
clock_t si_utime; /* User time consumed */
clock_t si_stime; /* System time consumed */
sigval_t si_value; /* Signal value */
int si_int; /* POSIX.1b signal */
void *si_ptr; /* POSIX.1b signal */
int si_overrun; /* Timer overrun count; POSIX.1b timers */
int si_timerid; /* Timer ID; POSIX.1b timers */
void *si_addr; /* Memory location which caused fault */
int si_band; /* Band event */
int si_fd; /* File descriptor */
}

#include
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
union sigval {
int sival_int;
void *sival_ptr;
};

接收端：

#include
#include
#include
#include

// int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);

//(*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);
void handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
{
printf("get signum is:%dn",signum);

if(context != NULL)
{
printf("get data = %dn",info->si_int);
printf("get data = %dn",info->si_value.sival_int);
printf("get pid is = %dn",info->si_pid);
}

}

int main()
{
struct sigaction act;
printf("pid = %dn",getpid());
act.sa_sigaction = handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;

sigaction(SIGUSR1,&act,NULL);
while(1);

return 0;
}

发送端：

#include
#include
#include
#include
#include
// int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);

int main(int argc,char **argv)
{
int signum;
int pid;

signum = atoi(argv[1]);
pid = atoi(argv[2]);

union sigval value;
value.sival_int = 100;

sigqueue(pid,signum,value);
printf("pid = %d,donen",getpid());

return 0;
}

注意：信号发送字符串，只有在父子进程或者是共享内存下才可发送。

六、信号量

信号量与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

信号量的特点：

信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
支持信号量组

信号量的函数原型：

// 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
// 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
// 控制信号量的相关信息
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

当 semget 创建新的信号量集合时，必须指定集合中信号量的个数（即 num_sems），通常为 1；如果是引用一个现有的集合，则将 num_sems 指定为 0 。

在 semop 函数中，sembuf 结构的定义如下：

struct sembuf
{
short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
short sem_op; // 信号量值在一次操作中的改变量
short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}

在 semctl 函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：

SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。
IPC_RMID：删除一个信号量集合。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。

代码演示：

#include
#include
#include
#include
#include

// int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
// int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
// int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
union semun{
int val; /* Value for SETVAL */
struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */
struct seminfo *__buf; /* Buffer for IPC_INFO
(Linux-specific) */
};

//P操作，拿钥匙
void PGetKey(int semid)
{
struct sembuf sops;
sops.sem_num = 0;
sops.sem_op = -1;
sops.sem_flg = SEM_UNDO;

semop(semid, &sops, 1);
}

//V操作，放回钥匙
void VPutBackKey(int semid)
{
struct sembuf sops;
sops.sem_num = 0;
sops.sem_op = 1;
sops.sem_flg = SEM_UNDO;

semop(semid, &sops, 1);
}

int main()
{
key_t key;
int semid;
if((key == ftok(".",6)) < 0)
{
printf("ftok errorn");
}

semid = semget(key , 1, IPC_CREAT|0666);//创造钥匙，数量为1

union semun sem;
sem.val = 0;//初始状态为没有钥匙
semctl(semid, 0, SETVAL, sem);//SETVAL初始化信号量为一个已知的值，这时就需要第四个参数
//0表示操作第一把钥匙
int pid = fork();

if(pid < 0)
{
printf("fork failedn");
}else if(pid == 0)
{
printf("this is childn");
VPutBackKey(semid);//首先把钥匙放回
}else
{
PGetKey(semid);//等子进程将钥匙放回后才会进行操作，保证子进程先执行
printf("this is fathern");
VPutBackKey(semid);
semctl(semid, 0, IPC_RMID);//销毁钥匙
}

return 0;
}

七、进程间通信方式总结：

管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯；
FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢；
消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题；
共享内存：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题；
信号：有入门版和高级版两种，区别在于入门版注重动作，高级版可以传递消息。只有在父子进程或者是共享内存中，才可以发送字符串消息；
信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步。用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

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