【Linux C | 进程】Linux 进程间通信的10种方式（1）

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下表是进程间通信的十种方式

一、管道(无名管道)

✨1.1 管道介绍

管道是半双工的通信方式，数据只能单向流动，管道的作用是在有亲缘关系的进程之间传递消息。所谓亲缘关系是指，只要调用进程使用pipe函数， 打开的管道文件就会在fork之后， 被各个后代进程所共享。

这个无名管道可以理解为：没有实体文件与之关联， 靠的是世代相传的文件描述符来进行数据的读写。

无名管道可以使用函数pipe来创建，函数原型如下：

#include 
int pipe(int pipefd[2]);

✨1.2 例子

看使用例子，父进程调用了pipe函数创建了管道文件，fork之后的子进程可以直接使用管道文件：

#include 
#include 
#include 
#include   

#define PIPE_INPUT		0
#define PIPE_OUTPUT		1

int main()
{
	int pipe_fds[2];
	pipe(pipe_fds); // 创建无名管道
	
	pid_t pid = fork();
    if(pid == 0) {// 子进程
		printf("子进程[%d]开始执行, 关闭输入管道，写数据到输出管道\n", getpid()); 
		close(pipe_fds[PIPE_INPUT]);// 关闭输入管道
		write(pipe_fds[PIPE_OUTPUT], "test data", strlen("test data"));// 写入管道
        exit(0);
    }
	else if(pid > 0)
	{
		sleep(2); //延时一会，让子进程先运行
		printf("父进程[%d]开始执行, 关闭输出管道，读取管道数据\n", getpid()); 
		close(pipe_fds[PIPE_OUTPUT]);// 关闭输出管道
		char buf[256] = {0,};
		int readSize = read(pipe_fds[PIPE_INPUT], buf, sizeof(buf));
		printf("父进程[%d]从管道读取到%d个字节的数据[%s]\n", getpid(), readSize, buf); 
        exit(0);
	}
	else
	{
		printf("Error in fork\n"); 
        exit(1); 
	}
	
	return 0;
}

二、命名管道FIFO

✨2.1 命名管道FIFO介绍

上面的无名管道没有与实体文件关联，靠的是世代相传的文件描述符来进行数据交换。命名管道就是为了解决无名管道的这个问题而引入的。 FIFO与管道类似， 最大的差别就是有实体文件与之关联。 由于存在实体文件， 不相关的、没有亲缘关系的进程也可以通过使用FIFO来实现进程之间的通信。

创建命名管道的3种方式：

• 1、调用C语言接口函数mkfifo创建：mkfifo("my_fifo", 0666);；

  #include 
  #include 
  int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
  

• 2、使用mkfifo命令创建：mkfifo -m 0666 my_fifo；
• 3、使用mknod命令创建：mknod -m 0666 my_fifo p。

一旦FIFO文件创建好了， 就可以把它用于进程间的通信了。 一般的文件操作函数如open、 read、 write、 close、 unlink等都可以用在FIFO文件上。

✨2.2 例子

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
	if(0 == access("./my_fifo",F_OK))
	{
		system("rm ./my_fifo");
	}
	/*创建管道文件, 下次运行需要先删除my_fifo文件，否则mkfifo报错*/
    if(mkfifo("my_fifo", 0666) < 0)
    {
        perror("mkfifo");
        return -1;
    }
	
	pid_t pid = fork();
    if(pid == 0) {// 子进程
		printf("子进程[%d]开始执行, 打开my_fifo文件，循环往里写数据\n", getpid());
		int fd = open("my_fifo", O_WRONLY);
		if(fd < 0)
		{
			return -1;
		}
		int i = 9;
		while(i>=0)
		{
			printf("子进程[%d]写入数据：%d\n", getpid(), i);
			char buf[256] = {0,};
			sprintf(buf,"%d",i);
			write(fd, buf, strlen(buf));
			i--;
			sleep(1);
		}
		close(fd);
		printf("子进程[%d]退出\n", getpid());
        return 0;
    }
	else if(pid > 0)// 父进程
	{
		sleep(5); //延时一会，让子进程先运行
		printf("父进程[%d]开始执行, 打开my_fifo文件，读取数据\n", getpid()); 
		int fd = open("my_fifo", O_RDONLY);
		if(fd < 0)
		{
			return -1;
		}
		char buf[256] = {0,};
		int readSize = 0;
		while((readSize = read(fd, buf, sizeof(buf)) ) > 0)
		{
			printf("父进程[%d]读取到%d个字节数据：[%s]\n", getpid(),readSize, buf);
			memset(buf, 0, sizeof(buf));
		}
		close(fd);
		printf("父进程[%d]退出\n", getpid());
        return 0;
	}
	else
	{
		printf("Error in fork\n"); 
        exit(1); 
	}
	
	return 0;
}

运行结果：

三、消息队列(System V IPC)

✨3.1 消息队列(System V IPC)介绍

有三种被称为XSI IPC的进程间通信，消息队列，信号量，共享内存。XSI IPC函数是基于System V的IPC函数。这里介绍的消息队列就属于其中一种，后面还有介绍其余两种，消息队列比较少用了，是一种逐渐被淘汰的通信方式，为了完整性，这里还是介绍一下，感兴趣的可以继续了解。

前面的管道通信，如果从管道中读取到100个字节，你无法确认这100个字节是单次写入的100字节， 还是分10次每次10字节写入的， 你也无法知晓这100个字节是几个消息。System V消息队列就不存在这种问题，因为它是基于消息通信的。无需从字节流解析完整的消息，而且每个消息有type字段作为消息类型。

消息队列编程步骤：

• 1、生成 key，System V IPC的标识ID都是通过key来获取的，key的生成方式有三种：
  ①随机选择一个整数值作为key值，这个值必须不和其他key重复，例如：#define MSG_KEY 10086
  ②使用IPC_PRIVATE，例如：id = msgget(IPC_PRIVATE,S_IRUSR | S_IWUSR);
  ③使用ftok函数， 根据文件名生成一个key，例如：key_t key = ftok(".", 100);
• 2、使用msgget()创建/获取消息队列，返回值为队列标识符。
  服务端创建：int msgid = msgget(key, 0666|IPC_CREAT);
  客户端获取：int msgid = msgget(key, 0);
• 3、写入/取出消息；
  服务端写入：msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg.buf), 0);
  客户端获取：msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg)-sizeof(long), 0, 0);
• 4、msgctl删除消息队列
  msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);

✨3.2 例子

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

typedef struct _MSG_TYPE
{
    long mtype;//消息类型
    char buf[256];//有效数据
}MSG_TYPE;

int main()
{
	// 1 生成key
    key_t key = ftok(".", 100);

	// 2 创建子进程
	pid_t pid = fork();
    if(pid == 0) {// 子进程
		printf("子进程[%d]开始执行, 创建消息队列，循环往里写数据\n", getpid());
		// 创建消息队列
		int msgid = msgget(key, 0666|IPC_CREAT);
		if(msgid == -1)
		{
			perror("msgget failed");
			exit(1);
		}
		// 发送数据
		int i = 9;
		MSG_TYPE msg;
		while(i>=0)
		{
			memset(&msg, 0, sizeof(msg));
			msg.mtype = i;
			sprintf(msg.buf, "hello-%d", i);
			msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg.buf), 0);//阻塞
			printf("子进程[%d]写入数据：hello-%d\n", getpid(), i);
			i--;
			sleep(1);
		}
		
		// 删除队列
		if(msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL) == -1)
		{
			perror("msgctl failed");
			exit(3);
		}
		printf("子进程[%d]退出\n", getpid());
        return 0;
    }
	else if(pid > 0)// 父进程
	{
		sleep(3); //延时一会，让子进程先运行
		printf("父进程[%d]开始执行, 获取消息队列，读取数据\n", getpid()); 
		int msgid = msgget(key, 0); 
		if(msgid == -1)
		{
			perror("msgget failed");
			exit(1);
		}
		MSG_TYPE msg;
		while(1)
		{
			memset(&msg, 0, sizeof(msg));
			int res = msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg)-sizeof(long), 0, 0);//阻塞
			printf("res=%d, 消息：%s, 类型：%ld\n", res, msg.buf, msg.mtype);
			if(res == -1)
			{
				perror("msgrcv failed");
				break;
			}
		}
		
		// 删除队列
		if(msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL) == -1)
		{
			perror("msgctl failed");
			exit(3);
		}
		printf("父进程[%d]退出\n", getpid());
        return 0;
	}
	else
	{
		printf("Error in fork\n"); 
        exit(1); 
	}
	
	return 0;
}

运行结果：

四、信号量(System V IPC)

✨4.1 消息队列(System V IPC)介绍

信号量的作用是为了同步多个进程的操作。一般来说， 信号量是和某种预先定义的资源相关联的。

信号量是一个计数器，控制访问共享资源的最大并行进程总数。可以通过下面这个故事来了解信号量。

一套豪宅里有8个一模一样的卫生间和8把通用的钥匙。最初有8把钥匙放在钥匙存放处。 当同时使用卫生间的人数小于或等于8时， 大家都可以拿到一把钥匙， 各自使用各自的卫生间。 但是到第9个人和第10个人要使用卫生间时， 发现已经没有钥匙了， 所以他们就不得不等待了。

使用最广泛的信号量是二值信号量（binary semaphore）， 对于这种信号量而言， 它只有两种合法值： 0和1， 对应一个可用的资源。 若当前有资源可用， 则与之对应的二值信号量的值为1； 若资源已被占用， 则与之对应的二值信号量的值为0。 当进程申请资源时， 如果当前信号量的值为0， 那么进程会陷入阻塞， 直到有其他进程释放资源， 将信号量的值加1才能被唤醒。

资源个数超过1个的信号量称为计数信号量（counting semaphore），例如，有个8个资源，最大同时允许8个进程使用。

信号量编程步骤：

• 1、生成 key，System V IPC的标识ID都是通过key来获取的，key的生成方式有三种。参考上一节消息队列编程步骤；
• 2、使用int semget(key_t key, int nsems, int semflg);创建/获取信号量集，返回值为信号量集标识符。
  第二个参数nsems表示信号量集中信号量的个数。如果并非创建信号量， 仅仅是访问已经存在的信号量集， 可以将nsems指定为0。
  semflg支持多种标志位。 目前支持IPC_CREAT和IPC_EXCL标志位
• 3、设置信号量的初始值 int semctl(int semid, int semnum, int cmd,/* union semun arg*/);
• 4、正常使用，实现信号量的++ --的原子性int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);
• 5、semctl删除消息信号量
  semctl(semid, 0, IPC_RMID);

✨4.2 例子

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

// 生成key
#define SEM_KEY		10086

int main()
{
	// 2 创建子进程
	pid_t pid = fork();
    if(pid == 0) {// 子进程
		printf("子进程[%d]开始执行, 创建信号量，使用资源\n", getpid());
		// 创建信号量集
		int semid = semget(SEM_KEY, 1, IPC_CREAT|0666);
		if(semid == -1)
		{
			perror("semget failed");
			exit(1);
		}
		
		// 设置第0个信号量的资源数量为1
		if(semctl(semid, 0, SETVAL, 1) == -1)
		{
			perror("semctl setval failed");
			exit(1);
		}
		
		// 使用资源，数量 -1
		struct sembuf op;
		op.sem_num = 0;//对下标为0的信号量操作
		op.sem_op = -1;//对信号量-1
		op.sem_flg = 0;//无法完成时阻塞等待
		semop(semid, &op, 1);
		printf("子进程[%d]访问共享资源\n", getpid());
		sleep(20);
		printf("子进程[%d]完成共享资源的访问\n",getpid());
		
		// 释放资源，数量 +1
		op.sem_op = 1;
		semop(semid, &op, 1);
		
        return 0;
    }
	else if(pid > 0)// 父进程
	{
		sleep(3); //延时一会，让子进程先运行
		printf("父进程[%d]开始执行, 获取信号量，准备使用资源\n", getpid()); 
		int semid = semget(SEM_KEY, 0, 0);
		if(semid == -1)
		{
			perror("semget failed");
			exit(1);
		}
		
		// 使用资源，数量 -1
		struct sembuf op;
		op.sem_num = 0;//对下标为0的信号量操作
		op.sem_op = -1;//对信号量-1
		op.sem_flg = 0;//无法完成时阻塞等待
		semop(semid, &op, 1);
		printf("父进程[%d]访问共享资源\n", getpid());
		sleep(3);
		printf("父进程[%d]完成共享资源的访问\n",getpid());
		
		// 释放资源，数量 +1
		op.sem_op = 1;
		semop(semid, &op, 1);
		
		// 删除信号量
		if(semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1)
		{
			perror("semctl failed");
			exit(3);
		}
		printf("父进程[%d]退出\n", getpid());
        return 0;
	}
	else
	{
		printf("Error in fork\n"); 
        exit(1); 
	}
	
	return 0;
}

五、共享内存(System V IPC)

✨5.1 共享内存(System V IPC)介绍

共享内存是所有IPC手段中最快的一种。 它之所以快是因为共享内存一旦映射到进程的地址空间，进程之间数据的传递就不须要涉及内核了。

建立共享内存之后， 进程从此就像操作普通进程的地址空间一样操作这块共享内存， 一个进程可以将信息写入这片内存区域， 而另一个进程也可以看到共享内存里面的信息， 从而达到通信的目的。

允许多个进程同时操作共享内存， 就不得不防范竞争条件的出现。因此， 共享内存这种进程间通信的手段通常不会单独出现， 总是和信号量、 文件锁等同步的手段配合使用。

信号量编程步骤：

• 1、生成 key，System V IPC的标识ID都是通过key来获取的，key的生成方式有三种。参考上一节消息队列编程步骤；
• 2、使用int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);创建/获取共享内存段，返回值为共享内存的标识符。
  其中第二个参数size必须是正整数， 表示要创建的共享内存的大小。
  第三个参数支持IPC_CREAT和IPC_EXCL标志位。 如果没有设置IPC_CREAT标志位， 那么第二个参数size对共享内存段并无实际意义， 但是必须小于或等于共享内存的大小， 否则会有EINVAL错误。
• 3、映射共享内存，得到虚拟地址。void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);。
  其中， 第二个参数是用来指定将共享内存放到虚拟地址空间的什么位置的。 大部分的普通青年都会将第二个参数设置为NULL， 表示用户并不在意， 一切交由内核做主。
  shmat如果调用成功， 则返回进程虚拟地址空间内的一个地址。就可以像使用malloc分配的空间一样使用共享内存。
• 4、读写共享内存数据。
• 5、解除映射。int shmdt(const void *shmaddr);。
• 6、销毁共享内存。shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) ;

✨5.2 例子

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

// 生成key
#define SHM_KEY		10010

int main()
{
	// 2 创建子进程
	pid_t pid = fork();
    if(pid == 0) {// 子进程
		printf("子进程[%d]开始执行, 创建共享内存段，使用创建共享内存\n", getpid());
		// 2.1 创建共享内存段
		int shmid = shmget(SHM_KEY, 8, IPC_CREAT|0666);
		if(shmid == -1)
		{
			perror("semget failed");
			exit(1);
		}
		
		// 2.2 映射共享内存，得到虚拟地址
		void *p = shmat(shmid, 0, 0);
		 if((void *)-1 == p)
		{
			perror("shmat failed");
			exit(2);
		}
		
		// 2.3 读写共享内存
		int *pi = p;
		*pi = 0xaaaaaaaa;
		*(pi+1) = 0x55555555;
		printf("子进程[%d]写入%x, %x\n", getpid(), *pi, *(pi+1));
		
		// 2.4 解除映射
		if(shmdt(p) == -1)
		{
			perror("shmdt failed");
			exit(3);
		}
		printf("子进程[%d]解除映射, 结束进程\n\n", getpid());
        return 0;
    }
	else if(pid > 0)// 父进程
	{
		sleep(3); //延时一会，让子进程先运行
		printf("父进程[%d]开始执行, 获取共享内存段，准备使用资源\n", getpid()); 
		// 3.1 获取共享内存段
		int shmid = shmget(SHM_KEY, 0, 0);
		if(shmid == -1)
		{
			perror("shmget failed");
			exit(1);
		}
		
		// 3.2 映射共享内存，得到虚拟地址
		void *p = shmat(shmid, 0, 0);
		if((void *)-1 == p)
		{
			perror("shmat failed");
			exit(2);
		}
		
		// 3.3 读写共享内存
		int x = *((int *)p);
		int y = *((int *)p + 1);
		printf("父进程[%d]读取数据：x=%#x y=%#x\n",getpid(), x, y);
		
		// 3.4 解除映射
		if(shmdt(p) == -1)
		{
			perror("shmdt failed");
			exit(3);
		}
		printf("父进程[%d]解除映射\n", getpid());
		
		// 3.5 销毁共享内存
		if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)
		{
			perror("shmctl");
			exit(4);
		}
		printf("父进程[%d]销毁共享内存, 结束进程\n", getpid());
        return 0;
	}
	else
	{
		printf("Error in fork\n"); 
        exit(1); 
	}
	
	return 0;
}

允许结果：

六、总结

Linux 进程间通信有10种方式，本文先介绍了5种：无名管道、命名管道、XSI消息队列、XSI信号量、XSI共享内存，下篇文章将会介绍剩下的5个方式：POSIX消息队列、POSIX信号量、POSIX共享内存、信号、网络通信。

Linux 进程间通信的10种方式（2）

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