进程间通信
进程间通信
介绍
进程间通信（IPC）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
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
1 #include
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。
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。
使用管道实现拷贝功能：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char* argv[]) {
int fdSrc;
int fdDes;
char* readBuf = NULL;
int fd[2]; // 两个文件描述符
int pid;
fdSrc = open(argv[1], O_RDWR);
int size = lseek(fdSrc, 0, SEEK_END);
lseek(fdSrc, 0, SEEK_SET);
readBuf = (char*)malloc(sizeof(char) * size + 8);
if (argc != 3) {
printf("error\n");
exit(-1);
}
if (pipe(fd) == -1) { // 创建管道
printf("creat pipe failed\n");
}
pid = fork();
if (pid < 0) { // 创建子进程
printf("creat child failed\n");
} else if (pid > 0) { // 父进程
printf("this is father\n");
close(fd[0]); // 关闭读端
int n_read = read(fdSrc, readBuf, 1024);
write(fd[1], readBuf, strlen(readBuf));
} else {
printf("this is child\n");
close(fd[1]); // 关闭写端
read(fd[0], readBuf, size);
printf("read from father:%s\n", readBuf);
fdDes = open(argv[2], O_RDWR | O_CREAT, 0600);
int n_write = write(fdDes, readBuf, strlen(readBuf));
}
close(fdSrc);
close(fdDes);
return 0;
}
二、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、原型
1 #include
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。
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”。
read_fifo.c
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
char buf[30] = {0};
int nread;
if((mkfifo("./file",0600)==-1)&& errno!=EEXIST){
printf("mkfifo failuer\n");
perror("why");
}
int fd = open("./file",O_RDONLY);
printf("open success\n");
while(1){
nread = read(fd,buf,30);
printf("read %d byte from fifo,context: %s\n",nread,buf);
}
close(fd);
return 0;
}
write_fifo.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int cnt = 0;
char *str = "message from fifo";
int fd = open("./file",O_WRONLY);
printf("write open success\n");
while(1){
write(fd,str,strlen(str));
sleep(1);
cnt++;
if(cnt == 5){
break;
}
}
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。
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、原型
1 #include
2 // 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
3 int msgget(key_t key, int flag);
4 // 添加消息：成功返回0，失败返回-1
5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
6 // 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
8 // 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
9 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。
四、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。
2、原型
1 #include
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 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
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 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
6 // 控制信号量的相关信息
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 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 }
3、例子
#include
#include
#include
#include
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
struct seminfo *_buf;
};
void pGetKey(int id)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0;
set.sem_op = -1;
set.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(id,&set,1);
printf("getkey\n");
}
void vputBackKey(int id)
{
struct sembuf set;
set.sem_num = 0;
set.sem_op = 1;
set.sem_flg = SEM_UNDO;
semop(id,&set,1);
printf("put back the key\n");
}
int main()
{
key_t key;
int semid;
key = ftok(".",2);
//信号量集合中有一个信号量
semid = semget(key,1,IPC_CREAT|0666);//创建/获取信号量
union semun initsem;
initsem.val = 0;//设置锁个数
//操作第0个信号量
semctl(semid,0,SETVAL,initsem);//初始化信号量
//SETVAL设置信号量的值，设置为initsem
int pid = fork();
if(pid > 0){
//去拿锁
pGetKey(semid);
printf("this is father\n");
vputBackKey(semid);
//锁放回去
semctl(semid,0,IPC_RMID);//销毁锁
}
else if(pid == 0){
printf("this is child\n");
vputBackKey(semid);
}else{
printf("fork error\n");
}
return 0;
}
五、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、原型
1 #include
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
3 int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
4 // 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
5 void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
6 // 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
7 int shmdt(void *addr);
8 // 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
9 int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
当用shmget函数创建一段共享内存时，必须指定其 size；而如果引用一个已存在的共享内存，则将 size 指定为0 。
当一段共享内存被创建以后，它并不能被任何进程访问。必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问。
shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的。注意，这并不是从系统中删除该共享内存，只是当前进程不能再访问该共享内存而已。
shmctl函数可以对共享内存执行多种操作，根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID（从系统中删除该共享内存）。
3、例子
read_shm.c
#include
#include
#include
#include
#include
//int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);
int main()
{
int shmid;
char *shmaddr;
key_t key;
key = ftok(".",1);
shmid = shmget(key,1024*4,0);
if(shmid == -1){
printf("shmget no\n");
exit(-1);
}
shmaddr = shmat(shmid,0,0);
printf("shmat ok\n");
printf("data:%s\n",shmaddr);
shmdt(shmaddr);
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
printf("quit\n");
return 0;
}
write_shm.c
#include
#include
#include
#include
#include
//int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);
int main()
{
int shmid;
char *shmaddr;
key_t key;
key = ftok(".",1);
shmid = shmget(key,1024*4,IPC_CREAT|0666);
if(shmid == -1){
printf("shmget no\n");
exit(-1);
}
shmaddr = shmat(shmid,0,0);
printf("shmat ok\n");
strcpy(shmaddr,"nian");
sleep(5);
shmdt(shmaddr);
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
printf("quit\n");
return 0;
}
五种通讯方式总结
1.管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯
2.FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢
3.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
4.信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步
5.共享内存区：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，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存