Unix进程小结（三）进程间通信方式总结

进程间通信（IPC）介绍

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、一些基本概念

进程间通信（IPC）：进程之间交换数据的过程叫进程间通信。
    进程间通信的方式：
        简单的进程间通信：
            命令行：父进程通过exec函数创建子进程时可以附加一些数据。
            环境变量：父进程通过exec函数创建子进程顺便传递一张环境变量表。
            信号：父子进程之间可以根据进程号相互发送信号，进程简单通信。
            文件：一个进程向文件中写入数据，另一个进程从文件中读取出来。
            命令行、环境变量只能单身传递，信号太过于简单，文件通信不能实时。
        
        XSI通信方式：X/open 计算机制造商组织。
            共享内存、消息队列、信号量
        网络进程间通信方式：网络通信就是不同机器的进程间通信方式。
        传统的进程间通信方式：管道

二、管道
    1、管道是一种古老的通信的方式（基本上不再使用）
    2、早期的管道是一种半双工，现在大多数是全双工。
    3、有名管道(这种管道是以文件方式存在的)。
    int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

例子：

1. #include
2. #include
3. #include
4. #include
5. #include
6. #include
7. #include
8.  
9. int main()
10. {
11. // 创建管道文件
12. if(0 > mkfifo("test.txt",0644))
13. {
14. perror( "mkfifo");
15. return -1;
16. }
17.  
18. // 打开
19. int fd = open("test.txt",O_RDWR);
20. if(0 > fd)
21. {
22. perror( "open");
23. return -1;
24. }
25.  
26. // 准备缓冲区
27. char buf[255] = {};
28. // 写／读
29. while(1)
30. {
31. printf(">");
32. gets(buf);
33. int ret = write(fd,buf,strlen(buf));
34. printf("写入数据%d字节\n",ret);
35. if('q' == buf[0])break;
36. getchar();
37. bzero(buf, sizeof(buf));
38. ret = read(fd,buf, sizeof(buf));
39. printf("读取数据%d字节,内容:%s\n",ret,buf);
40. if('q' == buf[0])break;
41. }
42. // 关闭
43. close(fd);
44. }

            
    管道通信的编程模式：
        进程A                进程B
        创建管道mkfifo
        打开管道open            打开管道
        写／读数据read/write    读／写数据
        关闭管道close            关闭管道
            
    4、无名管道：由内核帮助创建，只返回管道的文件描述符，看不到管道文件，但这种管道只能用在fork创建的父子进程之间。
        int pipe(int pipefd[2]);
        pipefd[0] 用来读数据
        pipefd[1] 用来写数据

以Linux中的C语言编程为例。

1. #include
2. #include
3. #include
4. #include
5. #include
6. #include
7. int main()
8. {
9. int fd[2];
10. int pid;
11. char buf[255]={};
12.  
13. if(pipe(fd)<0)
14. {
15. perror( "pipe");
16. return -1;
17. }
18. if((pid=fork())<0)
19. {
20. perror( "fork");
21. }
22. else if(pid>0)
23. {
24.  
25. printf("我是进程%d...",getpid());
26. close(fd[ 0]);
27. printf("请输入：\n");
28. gets(buf);
29. write(fd[ 1],buf,sizeof(buf));
30. pause();
31.  
32. }
33. else
34. {
35. getchar();
36. close(fd[ 1]);
37. bzero(buf, sizeof(buf));
38. printf("我是子进程%d,我的父进程是%d...\n",getpid(),getppid());
39. read(fd[ 0],buf,20);
40. printf("我读到了%s\n",buf);
41. kill(getppid(), 2);
42.  
43. }
44. }

此程序是一个简单的通过无名管道实现进程间的通信的程序！

三、共享内存
    1、由内存维护一个共享的内存区域，其它进程把自己的虚拟地址映射到这块内存，然后多个进程之间就可以共享这块内存了。
    2、这种进程间通信的好处是不需要信息复制，是进程间通信最快的一种方式。
    3、但这种通信方式会面临同步的问题，需要与其它通信方式配合，最合适的就是信号。
    
    共享内存的编程模式：
        1、进程之间要约定一个键值
        进程A        进程B    
        创建共享内存        
        加载共享内存    加载共享内存
        卸载共享内存    卸载共享内存
        销毁共享内存
    
    int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
    功能：创建共享内存
    size：共享的大小，尽量是4096的位数
    shmflg：IPC_CREAT｜IPC_EXCL
    返回值：IPC对象标识符(类似文件描述符)
    
    void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
    功能：加载共享内存（进程的虚拟地址与共享的内存映射）
    shmid：shmget的返回值
    shmaddr：进程提供的虚拟地址，如果为NULL，操作系统会自动选择一块地址映射。
    shmflg：
        SHM_RDONLY：限制内存的权限为只读
        SHM_REMAP：映射已经存的共享内存。
        SHM_RND：当shmaddr为空时自动分配
        SHMLBA：shmaddr的值不能为空，否则出错
    返回值：映射后的虚拟内存地址
        
    int shmdt(const void *shmaddr);
    功能：卸载共享内存（进程的虚拟地址与共享的内存取消映射关系）
    
    int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
    功能：控制／销毁共享内存
    cmd:
        IPC_STAT：获取共享内存的属性
        IPC_SET：设置共享内存的属性
          IPC_RMID：删除共享内存
    buf：
        记录共享内存属性的对象

例子：

程序A

1. #include
2. #include
3. #include
4. #include
5. #include
6. char* buf=NULL;
7.  
8. void sigint(int num)
9. {
10. printf("\r接收到数据：%s\n",buf);
11. printf(">");
12. fflush( stdout);
13. }
14.  
15. int main()
16. {
17. signal(SIGINT,sigint);
18.  
19. key_t key=39242236;
20.  
21. int pid=0;
22. printf("我是进程：%d\n",getpid());
23. printf("与我通信的进程是：");
24. scanf("%d",&pid);
25. getchar();
26.  
27. int shmid=shmget(key,4096,IPC_CREAT|0744);
28. if(0>shmid)
29. {
30. perror( "shmget");
31. return -1;
32. }
33.  
34. buf = shmat(shmid, NULL,SHM_RND);
35. while(1)
36. {
37. printf("请输入要发送给进程%d的内容:\n",pid);
38. gets(buf);
39. kill(pid,SIGINT);
40. }
41. shmdt(buf);
42. }

程序B：

1. #include
2. #include
3. #include
4. #include
5. #include
6. char* buf=NULL;
7.  
8. void sigint(int num)
9. {
10. printf("\r接收到数据：%s\n",buf);
11. printf(">");
12. fflush( stdout);
13. }
14.  
15. int main()
16. {
17. signal(SIGINT,sigint);
18.  
19. key_t key=39242236;
20.  
21. int pid=0;
22. printf("我是进程：%d\n",getpid());
23. printf("与我通信的进程是：");
24. scanf("%d",&pid);
25. getchar();
26.  
27. int shmid=shmget(key,4096,0);
28. if(0>shmid)
29. {
30. perror( "shmget");
31. return -1;
32. }
33.  
34. buf = shmat(shmid, NULL,SHM_RND);
35. while(1)
36. {
37. printf("请输入要发送给进程%d的内容:\n",pid);
38. gets(buf);
39. kill(pid,SIGINT);
40. }
41. shmdt(buf);
42. }

上面两个程序分别运行得到进程A和进程B

通过获取进程id用kill函数来发送信号，从而实现A和B的通信，两个程序通过共享内存通信       
四、消息队列
    1、消息队列是一个由系统内核负责存储和管理、并通过IPC对象标识符获取的数据链表。
    
    int msgget(key_t key, int msgflg);
    功能：创建或获取消息队列
    msgflg:
        创建：IPC_CREAT|IPC_EXEC
        获取：0
        
    int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
    功能：向消息队列发送消息
    msqid：msgget的返回人值
    msgp：消息（消息类型＋消息内容）的首地址
    msgsz：消息内存的长度（不包括消息类型）
    msgflg：
        MSG_NOERROR：当消息的实际长比msgsz还要长的话，
            则按照msgsz长度截取再发送，否则产生错误。
            
    ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
    功能：从消息队列接收消息
    msgp：存储消息的缓冲区
    msgsz：要接收的消息长度
    msgtyp：消息的的类型（它包含消息的前4个字节)
    msgflg：
        MSG_NOWAIT：如果要接收的消息不存在，直接返回。
            否则阻塞等待。
        MSG_EXCEPT：从消息队列中接收第一个不msgtyp类型的第一个消息。
        
    int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
    功能：控制／销毁消息队列
    cmd：
        IPC_STAT：获取消息队的属性
        IPC_SET：设置消息队列的属性
        IPC_RMID：删除消息队列

例子：

A程序

1. #include
2. #include
3. #include
4. #include
5. //定义消息
6. typedef struct Msg
7. {
8. long type;
9. char buf[255];
10. }Msg;
11.  
12. int main()
13. {
14. key_t key=ftok(".",1);
15. int msgid=msgget(key,0777|IPC_CREAT);
16. if(0>msgid)
17. {
18. perror( "msgget");
19. return -1;
20. }
21. while(1)
22. {
23. Msg msg={};
24. msg.type= 1;
25. printf("请输入发送到消息队列中的内容：\n");
26. gets(msg.buf);
27. msgsnd(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),0);
28. //当发送消息首字母为q退出
29. if('q'==msg.buf[0]) break;
30. msgrcv(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),2,0);
31. printf("接收到：%s\n",msg.buf);
32. //当接收消息首字母为q退出
33. if('q'==msg.buf[0]) break;
34.  
35.  
36. }
37. }

B程序

1. #include
2. #include
3. #include
4. #include
5. //定义消息
6. typedef struct Msg
7. {
8. long type;
9. char buf[255];
10. }Msg;
11.  
12. int main()
13. {
14. key_t key=ftok(".",1);
15. int msgid=msgget(key,0);
16. if(0>msgid)
17. {
18. perror( "msgget");
19. return -1;
20. }
21. while(1)
22. {
23. Msg msg={};
24. msgrcv(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),1,0);
25. printf("接收到：%s\n",msg.buf);
26. //当接收消息首字母为q退出
27. if('q'==msg.buf[0]) break;
28. printf("请输入发送到消息队列中的内容：\n");
29. gets(msg.buf);
30. msg.type= 2;
31. msgsnd(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),0);
32. //当发送消息首字母为q退出
33. if('q'==msg.buf[0]) break;
34.  
35.  
36. }
37. }

进程A和B通过消息队列完成IPC

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 支持信号量组。

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. 1 #include <sys/sem.h>
2. 2 // 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
3. 3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
4. 4 // 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
5. 5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
6. 6 // 控制信号量的相关信息
7. 7 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. 1 struct sembuf
2. 2 {
3. 3 short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
4. 4 short sem_op; // 信号量值在一次操作中的改变量
5. 5 short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6. 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：
      1. 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；
      2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
      3. 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：
      1. 信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
      2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
      3. 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：

• 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。
• 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。

3、例子

1. 1 #include <stdio.h>
2. 2 #include <stdlib.h>
3. 3 #include <sys/sem.h>
4. 4
5. 5 // 联合体，用于semctl初始化
6. 6 union semun
7. 7 {
8. 8 int val; /*for SETVAL*/
9. 9 struct semid_ds *buf;
10. 10 unsigned short *array;
11. 11 };
12. 12
13. 13 // 初始化信号量
14. 14 int init_sem(int sem_id, int value)
15. 15 {
16. 16 union semun tmp;
17. 17 tmp.val = value;
18. 18 if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
19. 19 {
20. 20 perror("Init Semaphore Error");
21. 21 return -1;
22. 22 }
23. 23 return 0;
24. 24 }
25. 25
26. 26 // P操作:
27. 27 // 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
28. 28 // 若信号量值为0，进程挂起等待
29. 29 int sem_p(int sem_id)
30. 30 {
31. 31 struct sembuf sbuf;
32. 32 sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
33. 33 sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
34. 34 sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
35. 35
36. 36 if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
37. 37 {
38. 38 perror("P operation Error");
39. 39 return -1;
40. 40 }
41. 41 return 0;
42. 42 }
43. 43
44. 44 // V操作：
45. 45 // 释放资源并将信号量值+1
46. 46 // 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
47. 47 int sem_v(int sem_id)
48. 48 {
49. 49 struct sembuf sbuf;
50. 50 sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
51. 51 sbuf.sem_op = 1; /*V操作*/
52. 52 sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
53. 53
54. 54 if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
55. 55 {
56. 56 perror("V operation Error");
57. 57 return -1;
58. 58 }
59. 59 return 0;
60. 60 }
61. 61
62. 62 // 删除信号量集
63. 63 int del_sem(int sem_id)
64. 64 {
65. 65 union semun tmp;
66. 66 if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
67. 67 {
68. 68 perror("Delete Semaphore Error");
69. 69 return -1;
70. 70 }
71. 71 return 0;
72. 72 }
73. 73
74. 74
75. 75 int main()
76. 76 {
77. 77 int sem_id; // 信号量集ID
78. 78 key_t key;
79. 79 pid_t pid;
80. 80
81. 81 // 获取key值
82. 82 if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
83. 83 {
84. 84 perror("ftok error");
85. 85 exit(1);
86. 86 }
87. 87
88. 88 // 创建信号量集，其中只有一个信号量
89. 89 if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
90. 90 {
91. 91 perror("semget error");
92. 92 exit(1);
93. 93 }
94. 94
95. 95 // 初始化：初值设为0资源被占用
96. 96 init_sem(sem_id, 0);
97. 97
98. 98 if((pid = fork()) == -1)
99. 99 perror("Fork Error");
100. 100 else if(pid == 0) /*子进程*/
101. 101 {
102. 102 sleep(2);
103. 103 printf("Process child: pid=%d\n", getpid());
104. 104 sem_v(sem_id); /*释放资源*/
105. 105 }
106. 106 else /*父进程*/
107. 107 {
108. 108 sem_p(sem_id); /*等待资源*/
109. 109 printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
110. 110 sem_v(sem_id); /*释放资源*/
111. 111 del_sem(sem_id); /*删除信号量集*/
112. 112 }
113. 113 return 0;
114. 114 }

上面的例子如果不加信号量，则父进程会先执行完毕。这里加了信号量让父进程等待子进程执行完以后再执行。

总结：进程间通信是实现两个程序传输数据的重要手段，非常值得学习和掌握