【Linux编程】进程间通信（IPC）C语言实现

转载自：【Linux编程】进程间通信（IPC）

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

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

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、原型：

#include 
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。

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

3、例子

单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以，通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。

若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反之，则可以使数据流从子进程流向父进程。

#include
#include

int main()
{
	int fd[2];  // 两个文件描述符
	pid_t pid;
	char buff[20];

	if(pipe(fd) < 0)  // 创建管道
		printf("Create Pipe Error!\n");

	if((pid = fork()) < 0)  // 创建子进程
		printf("Fork Error!\n");
	else if(pid > 0)  // 父进程
	{
		close(fd[0]); // 关闭读端
		write(fd[1], "hello world\n", 12);
	}
	else
	{
		close(fd[1]); // 关闭写端
		read(fd[0], buff, 20);
		printf("%s", buff);
	}

	return 0;
}

二、FIFO

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

1、特点

1. FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。

2. 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、原型

#include 
// 返回值：成功返回0，出错返回-1
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。

3、例子

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。

在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程：

• write_fifo.c

#include
#include   // exit
#include    // O_WRONLY
#include
#include     // time

int main()
{
	int fd;
	int n, i;
	char buf[1024];
	time_t tp;

	printf("I am %d process.\n", getpid()); // 说明进程ID
	
	if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以写打开一个FIFO 
	{
		perror("Open FIFO Failed");
		exit(1);
	}

	for(i=0; i<10; ++i)
	{
		time(&tp);  // 取系统当前时间
		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)  // 写入到FIFO中
		{
			perror("Write FIFO Failed");
			close(fd);
			exit(1);
		}
		sleep(1);  // 休眠1秒
	}

	close(fd);  // 关闭FIFO文件
	return 0;
}

• read_fifo.c

#include
#include
#include
#include
#include

int main()
{
	int fd;
	int len;
	char buf[1024];

	if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 创建FIFO管道
		perror("Create FIFO Failed");

	if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0)  // 以读打开FIFO
	{
		perror("Open FIFO Failed");
		exit(1);
	}
	
	while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 读取FIFO管道
		printf("Read message: %s", buf);

	close(fd);  // 关闭FIFO文件
	return 0;
}

在两个终端里用 gcc 分别编译运行上面两个文件，可以看到输出结果如下：

[songlee@localhost]$ ./write_fifo 
I am 5954 process.
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015

[songlee@localhost]$ ./read_fifo 
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015

上述例子可以扩展成 客户进程—服务器进程 通信的实例，write_fifo的作用类似于客户端，可以打开多个客户端向一个服务器发送请求信息。

read_fifo类似于服务器，它适时监控着FIFO的读端，当有数据时，读出并进行处理，但是有一个关键的问题是，每一个客户端必须预先知道服务器提供的FIFO接口。

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。

1、特点

1. 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。

2. 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。

3. 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、原型

#include 
// 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);

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。

3、例子

下面写了一个简单的使用消息队列进行IPC的例子，服务端程序一直在等待特定类型的消息，当收到该类型的消息以后，发送另一种特定类型的消息作为反馈，客户端读取该反馈并打印出来。

• msg_server.c

#include 
#include 
#include 

// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "/etc/passwd"

// 消息结构
struct msg_form {
	long mtype;
	char mtext[256];
};

int main()
{
	int msqid;
	key_t key;
	struct msg_form msg;
	
	// 获取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);

	// 创建消息队列
	if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
	{
		perror("msgget error");
		exit(1);
	}

	// 打印消息队列ID及进程ID
	printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
	printf("My pid is: %d.\n", getpid());

	// 循环读取消息
	for(;;) 
	{
		msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回类型为888的第一个消息
		printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
		printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);

		msg.mtype = 999; // 客户端接收的消息类型
		sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid());
		msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
	}
	return 0;
}

• msg_client.c

#include 
#include 
#include 

// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "/etc/passwd"

// 消息结构
struct msg_form {
	long mtype;
	char mtext[256];
};

int main()
{
	int msqid;
	key_t key;
	struct msg_form msg;

	// 获取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);

	// 打开消息队列
	if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) 
	{
		perror("msgget error");
		exit(1);
	}

	// 打印消息队列ID及进程ID
    printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
	printf("My pid is: %d.\n", getpid());

	// 添加消息，类型为888
	msg.mtype = 888;
	sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid());
	msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);

	// 读取类型为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;
}