进程间通信（IPC）介绍
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了进程间通信（IPC）介绍相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
原文链接：www.cnblogs.com/CheeseZH/p/5264465.html
进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。
IPC的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。
一、管道（pipe）
1、特点
它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。
它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
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。
2、说明
1. #include <unistd.h>
2. int pipe(int fd[2]); // 返回值：若成功返回0，失败返回-1
当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：
fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
pid_t pid;
int fd[2];
char readBuf[128] = {0};
if(pipe(fd)==-1){
printf("create pipe wrong!\\n");
exit(-1);
}
// 创建一个子进程
pid = fork();
if(pid > 0){
printf("this is parent process!\\n");
close(fd[0]);
write(fd[1],"hello,heavysea!",strlen("hello,heavysea!"));
}else if(pid == 0){
printf("this is child process!\\n");
close(fd[1]);
read(fd[0],readBuf,128);
printf("read:%s\\n",readBuf);
}else{
printf("fork error!\\n");
}
return 0;
}
二、命名管道(FIFO)
FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。
1、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。
2、说明
1. #include <sys/stat.h>
2. 返回值：成功返回0，出错返回-1
3. 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。
Write.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int nwrite;
int cnt = 0;
char *str = "message from fifo!";
int fd = open("./file1",O_RDWR);
while(1){
cnt++;
nwrite = write(fd,str,strlen(str));
printf("write byte:%d\\n",nwrite);
sleep(1);
if(cnt == 3){
break;
}
}
close(fd);
return 0;
}
Read.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
char readBuf[30] = {0};
// 创建一个命名管道
if(mkfifo("./file1",0600) == -1 && errno != EEXIST){
printf("mkfifo error!\\n");
perror("reason");
}
// 阻塞到有数据写入
int fd = open("./file1",O_RDWR);
while(1){
int nread = read(fd,readBuf,30);
printf("content:%s,byte:%d\\n",readBuf,nread);
}
close(fd);
return 0;
}
三、消息队列
消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。
只有内核重启或人工删除消息队列时，该消息队列才会被删除。若不人工删除消息队列，消息队列会一直存在于系统中。
1、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。
- 消息队列独立于发送与接收进程。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。
2、说明
1. #include <sys/msg.h>
2. // 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);
3. // 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);
4. // 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);
5. // 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);
cmd的参数有多个，可在man手册中用 /cmd命令查看，其中IPC_RMID最常用，表示删除消息队列。
在以下两种情况下，msgget将创建一个新的消息队列：
如果没有与键值key相对应的消息队列，并且flag中包含了IPC_CREAT标志位。
key参数为IPC_PRIVATE。
函数msgrcv在读取消息队列时，type参数有下面几种情况：
type == 0，返回队列中的第一个消息；
type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息；
type < 0，返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息，如果有多个，则取类型值最小的消息。
可以看出，type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值。
ftok函数
系统IPC键值的格式转换函数，系统建立IPC通讯 （消息队列、信号量和共享内存） 时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到。
函数原型：
key_t ftok( const char * fname, int id )
fname就是你指定的文件名（已经存在的文件名），一般使用当前目录，如：
key_t key;
key = ftok(".", 1); 这样就是将fname设为当前目录。
id是子序号。虽然是int类型，但是只使用8bits(1-255）。
在一般的UNIX实现中，是将文件的索引节点号取出，前面加上子序号得到key_t的返回值。
如指定文件的索引节点号为65538，换算成16进制为0x010002，而你指定的ID值为38，换算成16进制为0x26，则最后的key_t返回值为0x26010002。
查询文件索引节点号的方法是： ls -i
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
// 消息结构
struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[128];
};
int main()
{
struct msgbuf readBuf;
struct msgbuf sendBuf = {999,"hello,heavysea"};
key_t key;
// 获取key值
key = ftok(".",1);
printf("key = %x\\n",key);
// 创建消息队列
int msgId = msgget(key,IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("msgget failed\\n");
}
// 返回类型为888的第一个消息
// flag 为0 默认在接收消息前阻塞
msgrcv(msgId,&readBuf,128,888,0);
printf("read from queue:%s\\n",readBuf.mtext);
msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);
// 删除消息队列
msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[128];
};
int main()
{
// 添加消息，类型为888
struct msgbuf sendBuf = {888,"this is message from queue!"};
struct msgbuf readBuf;
key_t key;
key = ftok(".",1);
printf("key = %x\\n",key);
// 打开消息队列
int msgId = msgget(key,IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
perror("msgget error!\\n");
exit(-1);
}
msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);
msgrcv(msgId,&readBuf,128,999,0);
printf("content is %s\\n",readBuf.mtext);
return 0;
}
四、共享内存
共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。
1、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。
2、说明
1 #include <sys/shm.h>
2 // 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);
3 // 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);
4 // 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void *addr);
5 // 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);
基本步骤
1.创建共享内存
2.映射，把共享内存挂到进程，连接共享内存到当前进程的地址空间
3.正常读或写
4.断开与共享内存的连接
5.删除共享内存
3、例子
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int shmId;
char *shmaddr;
// 获取key值
key_t key;
key = ftok(".",2);
// 创建共享内存
// int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// size必须以兆为单位
shmId = shmget(key,1024*4,IPC_CREAT|0666);
if(shmId == -1){
printf("shmget failed!\\n");
exit(-1);
}
// 映射 连接共享内存
// void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 参数二为0：让Linux内核自动安排共享内存
// 参数三为0：代表映射过来的共享内存是可读可写
shmaddr = (char*)shmat(shmId,0,0);
if((int)shmaddr == -1){
printf("shmat error!\\n");
perror("reason");
}
// 写入字符串 等待被读
strcpy(shmaddr,"heavy sea");
sleep(10);
// 断开连接
if(shmdt(shmaddr)!=-1){
printf("shmdt ok!\\n");
}
// 删除共享内存
// int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
// buf 一般存放卸载共享内存产生的信息，写入0，表示不关注这些信息
shmctl(shmId,IPC_RMID,0);
printf("quit!\\n");
return 0;
}
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int shmId;
char *shmaddr;
key_t key;
key = ftok(".",2);
// 获取共享内存
shmId = shmget(key,1024*4,IPC_CREAT|0666);
if(shmId == -1){
printf("shmget failed!\\n");
exit(-1);
}
shmaddr = (char*)shmat(shmId,0,0);
if((int)shmaddr != -1){
printf("shmat ok!\\n");
}
// 读出数据
printf("data:%s\\n",shmaddr);
if(shmdt(shmaddr)!=-1){
printf("shmdt ok!\\n");
}
printf("quit\\n");
return 0;
}
五、信号量
信号量（semaphore）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。
1、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。
原子操作:就是在执行某一操作时不被打断。
linux原子操作问题来源于中断、进程的抢占以及多核smp系统中程序的并发执行。
2、原型
最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二值信号量（Binary Semaphore）。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。
Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。
1 #include <sys/sem.h>
// 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
2 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
3 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
// 控制信号量的相关信息
4 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：
1 struct sembuf
2 {
3 short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
4 short sem_op; // 信号量值在一次操作中的改变量
5 short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6 }
其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量：
-
若sem_op > 0，表示进程释放相应的资源数，将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量，则换行它们。
-
若sem_op < 0，请求 sem_op 的绝对值的资源。
如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。
当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。
sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。
sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
当相应的资源数可以满足请求，此信号量的semncnt值减1，该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回；
此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，此情况下将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0： -
当信号量已经为0，函数立即返回。
如果信号量的值不为0，则依据sem_flg决定函数动作：
sem_flg指定IPC_NOWAIT，则出错返回EAGAIN。
sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR。
在semctl函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：
4. SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
5. 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。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *_buf;
};
// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
// 若信号量值为0，进程挂起等待
void sem_p(int id)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0; // 序号
set.sem_op = -1; // p操作
set.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(id,&set,1)==0){
printf("get key!\\n");
}
}
// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
void sem_v(int id)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0;
set.sem_op = 1;
set.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(id,&set,1)==0){
printf("put back key!\\n");
}
}
void init_sem(int semid,int value)
{
union semun initsem;
initsem.val = value;
// semctl() 在 semid 标识的信号量集上，或者该集合的第semnum 个信号量上执行 cmd 指定的控制命令。
// (信号量集合索引起始于零。)
// SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合体semun的val成员来传递。
//在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
semctl(semid,0,SETVAL,initsem);
}
int main()
{
int semid;
key_t key;
key = ftok(".",2);
// 创建信号量 1表示信号量集合中有一个信号量
if(semid = semget(key,1,IPC_CREAT|0600)==-1){
perror("semget error!\\n");
exit(-1);
}
// 初始化信号量
init_sem(semid,0);
int pid = fork();
if(pid > 0){
sleep(3);
printf("father process!\\n");
sem_v(semid);
}else if(pid == 0){
// 等待资源
sem_p(semid);
printf("child process!\\n");
// 释放资源
sem_v(semid);
// 删除信号量集
semctl(semid,0,IPC_RMID);
}else{
printf("fork error!\\n");
}
return 0;
}
上面的例子如果不加信号量，则子进程会先执行完毕。这里加了信号量让子进程等待父进程执行完以后再执行。
六、服务器进程与客户进程间的通信
共享内存+信号量+消息队列的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。
- 共享内存用来传递数据；
- 信号量用来同步；
- 消息队列用来 在客户端修改了共享内存后 通知服务器读取。
server.c
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>
// 消息队列结构
struct msgbuf{
long mtype;
char mtext[1];
};
// 联合体，用于semctl初始化
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *_buf;
};
// 初始化信号量
void init_sem(int semid,int value)
{
union semun initsem;
initsem.val = value;
semctl(semid,0,SETVAL,initsem);
}
void sem_p(int semid)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0;
set.sem_op = -1;
set.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&set,1);
}
void sem_v(int semid)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0;
set.sem_op = 1;
set.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&set,1);
}
int main()
{
int shmId;
int msgId;
int semId;
char *shmaddr;
/*消息队列用于通知对方更新了共享内存*/
struct msgbuf readBuf;
key_t key;
key = ftok(".",'Z');
shmId = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);
if(shmId == -1){
printf("shmget error!\\n");
exit(-1);
}
shmaddr = shmat(shmId,0,0);
if((int)shmaddr == -1){
perror("attach shared memory error!\\n");
exit(-1);
}
msgId = msgget(key,IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("msgget error!\\n");
exit(-1);
}
semId = semget(key,1,IPC_CREAT|0600);
if(semId == -1){
perror("semget error");
exit(-1);
}
init_sem(semId,1);
while(1){
memset(&readBuf,0,sizeof(readBuf));
printf("ok!\\n");
// 读取类型为888的消息
msgrcv(msgId,&readBuf,1,888,0);
printf("rev command:%s\\n",readBuf.mtext);
// 跳出循环
if(!strcmp(readBuf.mtext,"q")){
break;
}
// 读共享内存
if(!strcmp(readBuf.mtext,"r")){
sem_p(semId);
printf("--------------------\\n");
printf("read:%s\\n",shmaddr);
printf("--------------------\\n");
sem_v(semId);
}
}
shmdt(shmaddr);
shmctl(shmId,IPC_RMID,0);
msgctl(msgId,IPC_RMID,0);
return 0;
}
注意：因为readBuf.mtext采用了字符数组，所以在for循环中用strcmp比较。当然因为我们这里只需要一个字符作为命令，所有也可以把readBuf.mtext直接定义成一个字符，此时for循环中直接用“==”即可。但二者不能混用，否则可能编译通过，程序运行得不出理想结果。
client.c
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/sem.h>
struct msgbuf{
long mtype;
char mtext[1];
};
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *_buf;
};
void init_sem(int semid,int value)
{
union semun initsem;
initsem.val = value;
semctl(semid,0,SETVAL,initsem);
}
void sem_p(int semid)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0;
set.sem_op = -1;
set.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&set,1);
}
void sem_v(int semid)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0;
set.sem_op = 1;
set.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(semid,&set,1);
}
int main()
{
int flag = 1;
int shmId;
int msgId;
int semId;
char *shmaddr;
struct msgbuf Buf;
key_t key;
key = ftok(".",'Z');
shmId = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);
if(shmId == -1){
printf("shmget error!\\n");
exit(-1);
}
shmaddr = shmat(shmId,0,0);
if((int)shmaddr == -1){
perror("attach shared memory error!\\n");
exit(-1);
}
msgId = msgget(key,IPC_CREAT|0777);
if(msgId == -1){
printf("msgget error!\\n");
exit(-1);
}
semId = semget(key,1,IPC_CREAT|0600);
if(semId == -1){
perror("semget error");
exit(-1);
}
while(flag){
memset(&Buf,0,sizeof(Buf));
char cmd;
printf("input command:\\n");
scanf("%c",&cmd);
switch(cmd)
{
case 'r':
printf("input message:\\n");
sem_p(semId);
scanf("%s",shmaddr);
sem_v(semId);
while((cmd=getchar())!='\\n' && cmd!=EOF);
strcpy(Buf.mtext,"r");
Buf.mtype = 888;
msgsnd(msgId,&Buf,strlen(Buf.mtext),0);
break;
case 'q':
strcpy(Buf.mtext,"q");
Buf.mtype = 888;
msgsnd(msgId,&Buf,strlen(Buf.mtext),0);
flag = 0;
break;
default:
printf("input error!\\n");
}
}
shmdt(shmaddr);
return 0;
}
注意：当scanf()输入字符或字符串时，缓冲区中遗留下了\\n，所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区。但是由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)（它只是标准C的扩展），所以我们使用了替代方案：
while((c=getchar())!=’\\n’ && c!=EOF);
以上是关于进程间通信（IPC）介绍的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章