【Linux】IPC进程间通信：管道、共享内存、消息队列、信号量

进程间通信，英文简称IPC，本质上是两个进程之间的数据交换。因为进程具有独立性，每个进程都有自己的虚拟地址空间，访问的都是自己的虚拟地址，因此进程间无法直接通信，需要操作系统提供中间媒介进行通信。
进程间通信分为四种方式：管道、共享内存、消息队列、信号量。其中消息队列和信号量在平时应用较少，在本文中简略介绍。

• 管道
  管道的本质是内核中的一块缓冲区，管道属于半双工通信，是可以选择方向的单向通信。
  管道自带同步与互斥：
  同步：管道的写操作在不超过PIPE_BUF大小（4096字节），保证原子性。
  互斥：让资源的访问操作按照一定规则进行，避免产生饥饿问题，保证合理操作（管道为空则不能读，管道满了则不能写）。
  管道提供字节流服务：有序的、可靠的、不限制大小的、基于连接的（有读必有写，有写必有读；若读端关闭，继续写会触发异常，导致进程退出；若写端关闭，则读完数据后不再阻塞而是返回0）。
  管道的生命周期随进程，在不人为干预下，所有打开管道的进程退出后，管道被释放。

• 匿名管道：这个内核中的缓冲区没有标识符，无法被其他进程直接找到，只能用于具有亲缘关系的进程间通信。父进程创建一个匿名管道，操作系统会返回一个这个管道的操作句柄（文件描述符）之后父进程创建一个子进程，子进程复制了父进程，也拥有了这个描述符，指向了内核中的同一个管道。
  匿名管道的创建流程：
  ①进程通过系统调用接口在内核中创建管道
  int pipe(int pipefd[2]);
  pipefd[2]用于接收管道的操作句柄，pipefd[0]表示读数据，pipefd[1]表示写输入，成功返回0，失败返回-1。
  ②通过这个接口，操作系统返回管道中的操作句柄。
  ③管道的操作方式类似于文本操作，通过文件描述符及IO接口进行访问。
  ④创建子进程。

• 命名管道：这个内核中的缓冲区具有标识符（可见于文件系统的管道文件FIFO），所有进程只要知道标识符，就可以通过相同的标识符打开同一个管道进行通信，可以用于同一主机上任意进程间通信。
  int mkfifo(const char*pathname,mode_t mode);
  pathname为管道标识符文件名称
  mode为文件权限
  成功返回0，失败返回-1。
  命名管道的打开特性：
  如果命名管道没有被写的方式打开，则只读打开会阻塞。
  如果命名管道没有被读的方式打开，则只写打开会阻塞。

• 共享内存
  共享内存本质上是开辟的一块物理内存，多个进程将同一块物理内存映射到自己的虚拟地址空间，通过自己的虚拟地址进行访问，实现数据共享。共享内存是最快的进程间通信方式，相较于其他操作少了用户态与内核态之间的数据拷贝这两个步骤。 共享内存的生命周期随内核。
  共享内存的操作并非是安全的，有可能多个进程同时写入会造成数据交叉或覆盖的危险，因此使用共享内存的操作是需要通过进程同步或互斥来进行保护的。
  共享内存的使用流程：
  ①创建/打开共享内存（添加头文件#include)
  int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);
  key为共享内存标识符
  size为共享内存大小
  shmflg为操作方式，通常为IPC_CREAT|IPC_EXCL，操作权限为0664
  成功返回非负整数，为共享内存在代码中的操作句柄，失败返回-1
  ②将这块共享内存映射到进程的虚拟地址空间
  void * shmat(int shmid,const void*shmaddr,int shmflg);
  shmid为shmget返回的操作句柄
  shmaddr为虚拟空间地址中的映射首地址，一般设置为NULL等系统分配
  shmflg为操作方式，设置为SHM_RDONLY代表只读，否则默认0表示可读可写
  成功返回实际映射在虚拟地址空间的首地址，失败返回-1
  ③具体的内存操作
  例如strcpy/memcpy等
  ④解除进程与共享内存的映射关系
  int shmdt(const void * shmaddr);
  成功返回0，失败返回-1
  ⑤删除共享内存
  int shmctl(int shmid,int cmd,struct_ds * buf);
  shmid为操作句柄
  cmd为具体对共享内存的操作，设置为IPC_RMID表示删除
  buf主要用来设置或获取共享内存的信息，这里直接置为NULL
  对于IPC_RMID操作来说，成功返回0，失败返回-1

• 消息队列
  消息队列就是在内核中创建了一个优先级队列，多个进程可以通过相同的标识符找到内核中同一个消息队列，通过添加或者获取节点实现数据传输。队列自带同步或互斥，生命周期随内核。

• 信号量
  信号量本质上就是一个计数器，用于实现进程间的同步或互斥。
  信号量的操作：
  p操作：在临界资源获取之前，先p操作，判断能否获取，能获取-1，不能获取则等待。
  v操作：在资源产生之后，进行v操作，计数+1，唤醒一个等待中的进程。