Linux系统编程_进程间通信第1天：IPC、无名管道pipe和命名管道mkfifo（半双工）、消息队列msgget（全双工）

1. 进程间通信概述（427.1）

2. 管道通信原理（428.2）（半双工）

• 进程间的五种通信方式介绍
  • https://blog.csdn.net/wh_sjc/article/details/70283843
• 进程间通信（IPC，InterProcess Communication）：在不同进程之间传播或交换信息（*面试会问）
  • IPC的方式通常有管道（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。

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式

2.1 特点

1. 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。
2. 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）。
3. 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。

2.2 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。
  

2.3 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{			   //子进程
		close(fd[1]);  // 关闭写端
		read(fd[0],buff,20);
		printf("%s",buff);
	}
	return 0;
}

3. 管道编程实战（429.3）（无名管道）

• IPC/demo1.c（无名管道，父进程向子进程写入字符串）

#include 
#include //标准c库 pipe fork
#include 
#include //标准c库 exit
#include 
#include //wait

int main(){
	int fd[2];
	pid_t pid;
	char buf[128];
//	int pipe(int pipefd[2]);
	if(pipe(fd) == -1){   //创建管道
		printf("creat pipe failed\n");
	}
	pid = fork();         //创建子进程
	
	if(pid<0){
		printf("creat child failed\n");
	}
	else if(pid > 0){     //父进程
		sleep(3);		  //休眠确保子进程先运行，到read时阻塞，3s后父进程往下走
		printf("this is father\n");
		close(fd[0]); //关闭读端
		write(fd[1],"hello from father",strlen("hello form father"));
		wait(NULL);
	}else{		      //子进程
		printf("this is child\n");
		close(fd[1]); //关闭写端
		read(fd[0],buf,128);
		printf("read from father: %s\n",buf);
		exit(0);
	}
	return 0;
}

4. 创建命名管道（4）

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型（半双工）

4.1 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。

4.2 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。

4.3 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：
• IPC/demo2.c（仅创建）

#include 
#include //mkfifo的
        
int main(){
	//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
	mkfifo("./file",0600);//创建管道，权限为可读可写

	return 0;
}

• IPC/demo3.c（简单调试：文件已存在，错误）

#include 
#include 
#include 
       
int main(){
	//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
	int ret = mkfifo("./file",0600);
	if(ret == 0){
		printf("mkfifo suscceess\n");
	}
	if(ret == -1){
		printf("mkfifo failed\n");
		perror("why");
	}		

	return 0;
}

• IPC/demo4.c（效果同demo3）

#include 
#include 
#include 
#include
       
int main(){
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
	if( (mkfifo("./file",0600) == -1) && errno==EEXIST){
		printf("mkfifo failed\n");
		perror("why");
	}
	else{
		if(errno= =EEXIST){
			printf("file exists\n");
		}else
			printf("mkfifo suscceess\n");
	}		

	return 0;
}

• IPC/demo5.c（创建管道，且只有在错误不是 EEXIST 时才打印错误消息）

#include 
#include 
#include 
#include
       
int main(){
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
	if( (mkfifo("./file",0600) == -1) && errno!=EEXIST){
		//只有在错误不是 EEXIST 时才打印错误消息
		perror("mkfifo failed");
	}

	return 0;
}

5. 命名管道的数据通信编程实现（430.5）

• IPC/demo6.c（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）

#include 
#include 
#include 
#include
#include 
       
int main(){
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
	if( (mkfifo("./file",0600) == -1) && errno!=EEXIST){
		printf("mkfifo failuer\n");
		perror("why");
	}

	int fd = open("./file",O_RDONLY);//若没有指定O_NONBLOCK（默认）
	printf("open success\n");//只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO
	//close(fd);
	return 0;
}

• IPC/writedemo6.c（没有指定O_NONBLOCK（默认），只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它）

#include 
#include 
#include 
#include
#include 

int main(){
	int fd = open("./file",O_WRONLY);//若没有指定O_NONBLOCK（默认）
	printf("write open success\n");//只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它
	//close(fd);
	return 0;
}

• IPC/read.c（读5次）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include  // O_WRONLY open
#include //strlen
#include //write
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main(){
	char buf[30] = {0};
	//int nread = 0;
	int cnt = 0;
	if( (mkfifo("./file",0600) == -1) && errno!=EEXIST){//创建fifo管道
		printf("mkfifo failed\n");
		perror("why");
	}

	int fd = open("./file",O_RDONLY);
	printf("open success\n");
	
	while(1){
		int nread = read(fd,buf,30);//读内容
		printf("read %d byte from fifo,context:%s\n",nread,buf);
		cnt++;
		if(cnt == 5){
			break;	
		}
	}
	close(fd);
	return 0;
}

• IPC/write.c（写5次）

#include 
#include 
#include 
#include 
#include  // O_WRONLY open
#include //strlen
#include //write
//int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int main(){
	int cnt = 0;
	char *str = "I'm Message from fifo_write";

	int fd = open("./file",O_WRONLY);
	printf("write open success\n");
	
	while(1){
		write(fd, str, strlen(str));//写内容
		cnt++;
		sleep(1);
		if(cnt == 5){
			break;	
		}
	}
	close(fd);
	return 0;
}

6. 消息队列的通信原理（6）（全双工）

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

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。
   

7. 消息队列相关api（431.7）

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);//通过key(非负数 索引值)找到对应消息队列，打开队列的方式//返回值是消息队列的标识符
// 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);//flag为0是默认阻塞的方式添加消息
// 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);//long type消息类型，用于找到对应消息，flag为0是默认阻塞的方式读取消息
// 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）
  

8. 消息队列编程收发数据（432.8）

• IPC/msgGet.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
//       int msgget(key_t key, int msgflg);
//       int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//       ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
struct msgbuf{
	long mtype;       /* message type, must be > 0 */
    char mtext[256];    /* message data */
};

int main(){
	struct msgbuf readBuf;	

	int msgId = msgget(0x1234,IPC_CREAT|0777);//创建/打开消息队列，通过key找到对应消息队列，可读可写可执行
	if(msgId == -1 ){
		printf("get que failed\n");//创建/打开失败
	}
	
	msgrcv(msgId, &readBuf,sizeof(readBuf.mtext),888,0);//读取消息	
	printf("read from que:%s\n",readBuf.mtext);

    struct msgbuf sendBuf = {988,"thank you for reach"};
    msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);//添加消息

	return 0;
}

• IPC/msgSend.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
//       int msgget(key_t key, int msgflg);
//       int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//       ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
struct msgbuf {
               
	long mtype;       /* message type, must be > 0 */
    char mtext[256];    /* message data */
};

int main(){
	struct msgbuf sendBuf = {888,"this is message from quen"};	
	
    int msgId = msgget(0x1234, IPC_CREAT|0777);//创建/打开消息队列，通过key找到对应消息队列，可读可写可执行

	if(msgId == -1 ){
		printf("get que failed\n");
	}
	
	msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);//添加消息
	printf("send over\n");
	
	struct msgbuf readBuf;
    msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),988,0);//读取消息
	printf("reaturn from get:%s\n",readBuf.mtext);
	
	return 0;
}

9. 键值生成及消息队列移除（9）

• https://baike.baidu.com/item/ftok
  
• IPC/msgGet.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
//       int msgget(key_t key, int msgflg);
//       int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//       ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
//int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
struct msgbuf{
	long mtype;       /* message type, must be > 0 */
    char mtext[256];    /* message data */
};

int main(){
	struct msgbuf readBuf;	

	key_t key;
	key = ftok(".",'m');
	printf("key=%x\n",key);

	int msgId = msgget(key,IPC_CREAT|0777);//创建/打开消息队列，通过key找到对应消息队列，可读可写可执行
	if(msgId == -1 ){
		printf("get que failuer\n");
	}
	
	//memset(&readBuf,0,sizeof(struct msgbuf));
	msgrcv(msgId, &readBuf,sizeof(readBuf.mtext),888,0);//读取消息	
	printf("read from que:%s\n",readBuf.mtext);

    struct msgbuf sendBuf = {988,"thank you for reach"};
    msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);//添加消息

	msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);//控制消息队列，将消息队列从内核中删除

	return 0;
}

• IPC/msgSend.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
//       int msgget(key_t key, int msgflg);
//       int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//       ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
//int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
struct msgbuf {
               
	long mtype;       /* message type, must be > 0 */
    char mtext[256];    /* message data */
};

int main(){
	struct msgbuf sendBuf = {888,"this is message from quen"};	
		
	key_t key;
    key = ftok(".",'m');
    printf("key=%x\n",key);

    int msgId = msgget(key, IPC_CREAT|0777);//创建/打开消息队列，通过key找到对应消息队列，可读可写可执行

	if(msgId == -1 ){
		printf("get que failuer\n");
	}
	
	msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);//添加消息
	printf("send over\n");
	
	struct msgbuf readBuf;
	//memset(&readBuf,0,sizeof(struct msgbuf));
    msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),988,0);//读取消息
	printf("reaturn from get:%s\n",readBuf.mtext);
	
	msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);//控制消息队列，将消息队列从内核中删除
	
	return 0;
}