Linux几种进程间通信方式（附代码讲解）

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、信号、共享内存、Socket。
本文以Linux中的C语言编程为例。

一、无名管道

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：

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，这个fd[0]和fd[1]的功能是确定的，如下图所示：

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

3.例子

无名管道顾名思义，没有名字，所以只能支持有亲属关系的进程之间进行通信。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。（注意0和1对应的功能）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{
   
	pid_t result;
	int r_num;
	int pipe_fd[2];
	char buf_r[100],buf_w[100];
	memset(buf_r,0,sizeof(buf_r));
	if(pipe(pipe_fd)<0)
	{
   
		printf("pipe is failed\n");
	}
	result=fork();
	if(result<0)
	{
   
		printf("fork is failed\n");
	}
	else if(result ==0)
	{
   
		close(pipe_fd[1]);
		if((r_num=read(pipe_fd[0],buf_r,100))>0)
			printf("child thread read %d char,the string is %s\n",r_num,buf_r);
		exit(0);
	}
	else
	{
   
		close(pipe_fd[0]);
		printf("please input char from keyborad\n");
		scanf("%s",buf_w);
		if(write(pipe_fd[1],buf_w,strlen(buf_w))!=-1)
			printf("father thread write %s to pipe.\n",buf_w);
		close(pipe_fd[1]);
		waitpid(result,NULL,0);
		exit(0);

	}
}

二、命名管道

三、信号量

信号量本质上是一个计数器（不设置全局变量是因为进程间是相互独立的，而这不一定能看到，看到也不能保证++引用计数为原子操作）,用于多进程对共享数据对象的读取，它和管道有所不同，它不以传送数据为主要目的，它主要是用来保护共享资源（信号量也属于临界资源），使得资源在一个时刻只有一个进程独享。

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.信号量的工作原理

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：

（1）P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行

（2）V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

在信号量进行PV操作时都为原子操作（因为它需要保护临界资源）

注：原子操作：单指令的操作称为原子的，单条指令的执行是不会被打断的

3.二元信号量

二元信号量（Binary Semaphore）是最简单的一种锁（互斥锁），它只用两种状态：占用与非占用。所以它的引用计数为1。

4.进程如何获得共享资源

（1）测试控制该资源的信号量

（2）信号量的值为正，进程获得该资源的使用权，进程将信号量减1，表示它使用了一个资源单位

（3）若此时信号量的值为0，则进程进入挂起状态（进程状态改变），直到信号量的值大于0，若进程被唤醒则返回至第一步。

注：信号量通过同步与互斥保证访问资源的一致性。

5.与信号量相关的函数

所有函数共用头文件

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

5.1创建信号量

int semget(key_t key,int nsems,int flags)
//返回:成功返回信号集ID，出错返回-1

(1)第一个参数key是长整型（唯一非零），系统建立IPC通讯 （ 消息队列、 信号量和 共享内存） 时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到，由内核变成标识符，要想让两个进程看到同一个信号集，只需设置key值不变就可以。

(2)第二个参数nsem指定信号量集中需要的信号量数目，它的值几乎总是1。

(3)第三个参数flag是一组标志，当想要当信号量不存在时创建一个新的信号量，可以将flag设置为IPC_CREAT与文件权限做按位或操作。
设置了IPC_CREAT标志后，即使给出的key是一个已有信号量的key，也不会产生错误。而IPC_CREAT | IPC_EXCL则可以创建一个新的，唯一的信号量，如果信号量已存在，返回一个错误。一般我们会还或上一个文件权限

5.2删除和初始化信号量

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

如有需要第四个参数一般设置为union semnu arg；定义如下

union semun
{
    
    int val;  //使用的值
    struct semid_ds *buf;  //IPC_STAT、IPC_SET 使用的缓存区
    unsigned short *arry;  //GETALL,、SETALL 使用的数组
    struct seminfo *__buf; // IPC_INFO(Linux特有) 使用的缓存区
};

（1）sem_id是由semget返回的信号量标识符

（2）semnum当前信号量集的哪一个信号量

（3）cmd通常是下面两个值中的其中一个
SETVAL：用来把信号量初始化为一个已知的值。p 这个值通过union semun中的val成员设置，其作用是在信号量第一次使用前对它进行设置。
IPC_RMID：用于删除一个已经无需继续使用的信号量标识符，删除的话就不需要缺省参数，只需要三个参数即可。

5.3改变信号量的值

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nops);

（1）nsops：进行操作信号量的个数，即sops结构变量的个数，需大于或等于1。最常见设置此值等于 1，只完成对一个信号量的操作

（2）sembuf的定义如下：

struct sembuf{
    
short sem_num;  //除非使用一组信号量，否则它为0 
short sem_op;   //信号量在一次操作中需要改变的数据，通常是两个数，                                        
                //一个是-1，即P（等待）操作， 
                //一个是+1，即V（发送信号）操作。 
short sem_flg; //通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号量， 
                 		 //并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量 
}; 

6.例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>

union semun
{
   
	int val;
};

int init_sem(int sem_id,int value)
{
   
	union semun tmp;
	tmp.val=value;
	if(semctl(sem_id,0,SETVAL,tmp)==-1)
	{
   
		printf("semctl error\n");
		exit(-1);
	}
	return 0;
}


//p operation
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)  //1表示操作的信号的数量
	{
   
		printf("p operation erro\n");
		exit(-1);
	}

	return 0;
}


//v operation
int sem_v(int sem_id)
{
   
	struct sembuf sbuf;
	sbuf.sem_num=0;
	sbuf.sem_op=1;
	sbuf.sem_flg=SEM_UNDO;  //这个SEM_UNDO表示如果进程消失，所占有的资源释放，如果不是特殊情况，尽量使用这个值
	if(semop(sem_id,&sbuf,1)==-1) //1表示操作的信号的数量
	{
   
		printf(" v operation error\n");
		exit(-1);
	}
	return 0;
}

int del_sem(int sem_id)
{
   
	union semun tmp;
	if(semctl(sem_id,0,IPC_RMID,tmp)==-1)  //0表示操作的资源号
	{
   
		printf("del sem error\n");
		exit(-1);
	}
	return 0;
}

int main()
{
   
	int sem_id;
	if(sem_id=(semget((key_t)