进程间通信 IPC（Inter-Process Communication）

Posted 2021-01-17 zengzhihua

目录

• 一、管道
• 二、FIFO
• 三、消息队列
• 四、信号量
• 五、共享存储
• 六、网络IPC：套接字

 

一、管道

管道是进程间通信中最古老的方式，所有UNIX都提供此种通信机制。管道有以下两种局限性：

1. 历史上，他们是半双工的（即数据只能在一个方向上流动）。
2. 管道只能在具有公共祖先的两个进程间使用。通常，一个管道由一个进程创建，在进程调用fork之后，这个管道就能在父进程和子进程之间使用了。

FIFO没有第二种局限性。
尽管有这两种局限性，半双工管道仍然是最常用的IPC形式。

管道由pipe()函数创建：

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);  返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1
参数fd返回两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。fd[1]的输出是fd[0]的输入。

通常，进程会先调用pipe，接着调用fork，从而创建从父进程到子进程的IPC通道，反之亦然。fork之后做什么取决于我们想要的数据流的方向。
对于从父进程到子进程的管道：父进程关闭管道的读端（fd[0]），子进程关闭写端（fd[1]）。
对于从子进程到父进程的管道：父进程关闭管道的写端（fd[1]），子进程关闭读端（fd[0]）。

 

二、FIFO

FIFO有时被称为命名管道，通过FIFO，不相关的进程也能交换数据。
FIFO由mkfifo()函数创建：

#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);   返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1

FIFO有如下两种用途：

1. shell命令使用FIFO函数将数据从一条管道传送到另一条时，无需创建中间临时文件。
2. 客户进程-服务器进程应用程序中，FIFO用作汇聚点，在客户进程和服务器进程二者之间传递数据。

 

三、消息队列

消息队列是消息的链接表，存储在内核中，由消息队列标识符标识。
客户进程和服务器进程之间的双向数据流。

msgget用于创建一个新队列或打开一个现有队列，msgsnd将新消息添加到队列尾端，每个消息包含一个正的长整型类型的字段、一个非负的长度（nbytes）以及实际数据字节数（对应于长度），msgrcv用于从队列中取消息。

#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int flag);  返回值：若成功，返回消息队列ID，若出错，返回-1
int msgsnd(int msgid, const void *ptr, size_t nbytes, int flag);  返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1
ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag);  返回值：若成功，返回消息数据部分的长度，若出错，返回-1

 

四、信号量

本质上，信号量是一个计数器，用于为多个进程提供对共享数据对象的访问。
维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。

一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：

1. 测试控制该资源的信号量。
2. 若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。
3. 若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。
4. 当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。

 

五、共享存储

共享存储允许两个或多个进程共享一个给定的存储区。因为数据不需要在客户进程和服务器进程之间复制，所以这是最快的一种IPC。
通常，信号量被用来实现对共享存储数据存取的同步。（也可以用记录锁或互斥量）

shmget获得一个共享存储标识符，shmctl对共享存储段执行多种操作，shmat将共享存储段连接到它的地址空间。

#include<sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int flag); 返回值：若成功，返回共享存储ID；若出错，返回-1
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf); 返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag); 返回值：若成功，返回指向共享存储段的指针；若出错，返回-1

 

六、网络IPC：套接字

不同计算机（通过网络相连）上的进程相互通信的机制：网络进程间通信（network IPC）。
套接字是通信端点的抽象。正如使用文件描述符访问文件，应用程序用套接字描述符访问套接字。

socket创建一个套接字，shutdown禁止一个套接字的I/O。

#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);  返回值：若成功，返回文件（套接字）描述符，若出错，返回-1
int shutdown(int sockfd, int how);  返回值：若成功，返回0，若出错，返回-1