进程间通信（IPC）详解及示例
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。
以Linux中的C语言编程为例。
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（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。如下图：
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。如下图所示：
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
-
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
#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：
写FIFO示例程序:
#include
#include
#include // exit
#include // O_WRONLY
#include
#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;
} 读FIFO示例程序：
#include
#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：(写终端)
I am 69684 process.
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:04 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:05 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:06 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:07 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:08 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:09 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:10 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:11 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:12 2020
Send message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:13 2020读终端：
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:04 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:05 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:06 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:07 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:08 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:09 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:10 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:11 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:12 2020
Read message: Process 69684's time is Sun Jul 5 21:22:13 2020 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，下图显示了这种安排：
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
#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。（其他的参数解释，请自行Google之）
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。
服务端示例：
#include
#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: %ld.\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;
} 客户端示例：
#include
#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999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: %ld.\n", msg.mtype);
return 0;
} 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
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。
#include
// 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
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
// 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
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
// 控制信号量的相关信息
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：
struct sembuf
{
short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
short sem_op; // 信号量值在一次操作中的改变量
short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}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：- 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；
- 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
- 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
- sem_flg 指定
-
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：- 信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
- 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
- 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
- sem_flg指定
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
#include
#include
#include
#include
// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
union semun tmp;
tmp.val = value;
if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
{
perror("Init Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
// 若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
struct sembuf sbuf;
sbuf.sem_num = 0;
sbuf.sem_op = -1;
sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id,&sbuf, 1) == -1) {
perror("P operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
struct sembuf sbuf;
sbuf.sem_num = 0;
sbuf.sem_op = 1;
sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1) {
perror("V operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
union semun tmp;
if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1) {
perror("Delete Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
int main()
{
int sem_id; // 信号量集ID
key_t key;
pid_t pid;
// 获取key值
if((key = ftok(".",'z')) < 0) {
perror("ftok error");
exit(1);
}
//创建信号量集，其中只有一个信号量
if((sem_id = semget(key,1, IPC_CREAT|0666)) == -1) {
perror("semget error");
exit(1);
}
// 初始化：初值设为0资源被占用
init_sem(sem_id,0);
if((pid = fork()) == -1)
perror("Fork Error");
else if(pid == 0) {
sleep(2);
printf("Process child: pid=%d\n",getpid());
sem_v(sem_id);
} else {
sem_p(sem_id);
printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
sem_v(sem_id);
del_sem(sem_id);
}
return 0;
} 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。
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
#include
// 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
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// 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
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void *addr);
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
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
下面这个例子，使用了【共享内存+信号量+消息队列】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。
- 共享内存用来传递数据；
- 信号量用来同步；
- 消息队列用来 在客户端修改了共享内存后 通知服务器读取。
服务端的示例代码：
#include
#include
#include // shared memory
#include // semaphore
#include // message queue
#include // memcpy
// 消息队列结构
struct msg_form {
long mtype;
char mtext;
};
// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
union semun tmp;
tmp.val = value;
if(semctl(sem_id, 0,SETVAL, tmp) == -1)
{
perror("Init Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
// 若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
struct sembuf sbuf;
sbuf.sem_num = 0;
sbuf.sem_op = -1;
sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
{
perror("P operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
struct sembuf sbuf;
sbuf.sem_num = 0;
sbuf.sem_op = 1;
sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
{
perror("V operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
union semun tmp;
if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
{
perror("Delete Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
// 创建一个信号量集
int creat_sem(key_t key)
{
int sem_id;
if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1) {
perror("semget error");
exit(-1);
}
init_sem(sem_id, 1);
return sem_id;
}
int main()
{
key_t key;
int shmid, semid, msqid;
char *shm;
char data[] = "this isserver";
struct shmid_ds buf1;
struct msqid_ds buf2;
struct msg_form msg;
// 获取key值
if((key = ftok(".",'z')) < 0) {
perror("ftok error");
exit(1);
}
// 创建共享内存
if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1) {
perror("Create Shared Memory Error");
exit(1);
}
// 连接共享内存
shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
if(*(int*)shm == -1) {
perror("Attach Shared Memory Error");
exit(1);
}
// 创建消息队列
if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) {
perror("msgget error");
exit(1);
}
// 创建信号量
semid = creat_sem(key);
// 读数据
while(1)
{
msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0);
if(msg.mtext == 'q')
break;
if(msg.mtext == 'r') {
sem_p(semid);
printf("%s\n",shm);
sem_v(semid);
}
}
// 断开连接
shmdt(shm);
shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1);
msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2);
del_sem(semid);
return 0;
} 客户端的示例代码：
#include
#include
#include // shared memory
#include // semaphore
#include // message queue
#include // memcpy
// 消息队列结构
struct msg_form {
long mtype;
char mtext;
};
// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
// 若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
struct sembuf sbuf;
sbuf.sem_num = 0;
sbuf.sem_op = -1;
sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
{
perror("P operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
struct sembuf sbuf;
sbuf.sem_num = 0;
sbuf.sem_op = 1;
sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
if(semop(sem_id,&sbuf, 1) == -1)
{
perror("V operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
int main()
{
key_t key;
int shmid, semid, msqid;
char *shm;
struct msg_form msg;
int flag = 1;
// 获取key值
if((key = ftok(".", 'z')) < 0) {
perror("ftok error");
exit(1);
}
// 获取共享内存
if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1) {
perror("shmget error");
exit(1);
}
// 连接共享内存
shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
if(*(int*)shm == -1) {
perror("Attach Shared Memory Error");
exit(1);
}
// 创建消息队列
if ((msqid = msgget(key,0)) == -1) {
perror("msgget error");
exit(1);
}
// 获取信号量
if((semid = semget(key,0, 0)) == -1) {
perror("semget error");
exit(1);
}
// 写数据
printf("***************************************\n");
printf("* IPC *\n");
printf("*Input r to send data toserver. *\n");
printf("* Input q to quit. *\n");
printf("***************************************\n");
while(flag) {
char c;
printf("Please input command: ");
scanf("%c", &c);
switch(c)
{
case 'r':
printf("Data to send:");
sem_p(semid);
scanf("%s", shm);
sem_v(semid);
while((c=getchar())!='\n'&& c!=EOF);
msg.mtype = 888;
msg.mtext = 'r';
msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
break;
case 'q':
msg.mtype = 888;
msg.mtext = 'q';
msgsnd(msqid, &msg,sizeof(msg.mtext), 0);
flag = 0;
break;
default:
printf("Wrong input!\n");
while((c=getchar())!='\n'&& c!=EOF);
}
}
// 断开连接
shmdt(shm);
return 0;
} 注意：当scanf()输入字符或字符串时，缓冲区中遗留下了\n，所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区。但是由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)（它只是标准C的扩展），所以我们使用了替代方案：
1 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
参考资料：http://songlee24.github.io/2015/04/21/linux-IPC/