进程间通信（IPC）介绍

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。

一、一些基本概念

进程间通信（IPC）：进程之间交换数据的过程叫进程间通信。
   进程间通信的方式：
       简单的进程间通信：
           命令行：父进程通过exec函数创建子进程时可以附加一些数据。
           环境变量：父进程通过exec函数创建子进程顺便传递一张环境变量表。
           信号：父子进程之间可以根据进程号相互发送信号，进程简单通信。
           文件：一个进程向文件中写入数据，另一个进程从文件中读取出来。
           命令行、环境变量只能单身传递，信号太过于简单，文件通信不能实时。

       XSI通信方式：X/open 计算机制造商组织。
           共享内存、消息队列、信号量
       网络进程间通信方式：网络通信就是不同机器的进程间通信方式。
        传统的进程间通信方式：管道

二、管道
   1、管道是一种古老的通信的方式（基本上不再使用）
   2、早期的管道是一种半双工，现在大多数是全双工。
   3、有名管道(这种管道是以文件方式存在的)。
   int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

例子：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <strings.h>
int main()
{
// 创建管道文件
if(0 > mkfifo("test.txt",0644))
{
perror( "mkfifo");
return -1;
}
// 打开
int fd = open("test.txt",O_RDWR);
if(0 > fd)
{
perror( "open");
return -1;
}
// 准备缓冲区
char buf[255] = {};
// 写／读
while(1)
{
printf(">");
gets(buf);
int ret = write(fd,buf,strlen(buf));
printf("写入数据%d字节\n",ret);
if('q' == buf[0])break;
getchar();
bzero(buf, sizeof(buf));
ret = read(fd,buf, sizeof(buf));
printf("读取数据%d字节,内容:%s\n",ret,buf);
if('q' == buf[0])break;
}
// 关闭
close(fd);
}

   管道通信的编程模式：
       进程A               进程B
       创建管道mkfifo
       打开管道open           打开管道
       写／读数据read/write   读／写数据
       关闭管道close           关闭管道

   4、无名管道：由内核帮助创建，只返回管道的文件描述符，看不到管道文件，但这种管道只能用在fork创建的父子进程之间。
       int pipe(int pipefd[2]);
       pipefd[0] 用来读数据
       pipefd[1] 用来写数据

以Linux中的C语言编程为例。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<strings.h>
#include<sys/types.h>
#include<signal.h>
int main()
{
int fd[2];
int pid;
char buf[255]={};
if(pipe(fd)<0)
{
perror( "pipe");
return -1;
}
if((pid=fork())<0)
{
perror( "fork");
}
else if(pid>0)
{
printf("我是进程%d...",getpid());
close(fd[ 0]);
printf("请输入：\n");
gets(buf);
write(fd[ 1],buf,sizeof(buf));
pause();
}
else
{
getchar();
close(fd[ 1]);
bzero(buf, sizeof(buf));
printf("我是子进程%d,我的父进程是%d...\n",getpid(),getppid());
read(fd[ 0],buf,20);
printf("我读到了%s\n",buf);
kill(getppid(), 2);
}
}

此程序是一个简单的通过无名管道实现进程间的通信的程序！

三、共享内存
   1、由内存维护一个共享的内存区域，其它进程把自己的虚拟地址映射到这块内存，然后多个进程之间就可以共享这块内存了。
   2、这种进程间通信的好处是不需要信息复制，是进程间通信最快的一种方式。
   3、但这种通信方式会面临同步的问题，需要与其它通信方式配合，最合适的就是信号。

   共享内存的编程模式：
       1、进程之间要约定一个键值
       进程A       进程B
       创建共享内存
       加载共享内存   加载共享内存
       卸载共享内存   卸载共享内存
       销毁共享内存

   int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
   功能：创建共享内存
   size：共享的大小，尽量是4096的位数
   shmflg：IPC_CREAT｜IPC_EXCL
   返回值：IPC对象标识符(类似文件描述符)

   void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
   功能：加载共享内存（进程的虚拟地址与共享的内存映射）
   shmid：shmget的返回值
   shmaddr：进程提供的虚拟地址，如果为NULL，操作系统会自动选择一块地址映射。
   shmflg：
       SHM_RDONLY：限制内存的权限为只读
       SHM_REMAP：映射已经存的共享内存。
       SHM_RND：当shmaddr为空时自动分配
       SHMLBA：shmaddr的值不能为空，否则出错
   返回值：映射后的虚拟内存地址

   int shmdt(const void *shmaddr);
   功能：卸载共享内存（进程的虚拟地址与共享的内存取消映射关系）

   int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
   功能：控制／销毁共享内存
   cmd:
       IPC_STAT：获取共享内存的属性
       IPC_SET：设置共享内存的属性
         IPC_RMID：删除共享内存
    buf：
       记录共享内存属性的对象

例子：

程序A

#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
char* buf=NULL;
void sigint(int num)
{
printf("\r接收到数据：%s\n",buf);
printf(">");
fflush( stdout);
}
int main()
{
signal(SIGINT,sigint);
key_t key=39242236;
int pid=0;
printf("我是进程：%d\n",getpid());
printf("与我通信的进程是：");
scanf("%d",&pid);
getchar();
int shmid=shmget(key,4096,IPC_CREAT|0744);
if(0>shmid)
{
perror( "shmget");
return -1;
}
buf = shmat(shmid, NULL,SHM_RND);
while(1)
{
printf("请输入要发送给进程%d的内容:\n",pid);
gets(buf);
kill(pid,SIGINT);
}
shmdt(buf);
}

程序B：

#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<unistd.h>
#include<signal.h>
char* buf=NULL;
void sigint(int num)
{
printf("\r接收到数据：%s\n",buf);
printf(">");
fflush( stdout);
}
int main()
{
signal(SIGINT,sigint);
key_t key=39242236;
int pid=0;
printf("我是进程：%d\n",getpid());
printf("与我通信的进程是：");
scanf("%d",&pid);
getchar();
int shmid=shmget(key,4096,0);
if(0>shmid)
{
perror( "shmget");
return -1;
}
buf = shmat(shmid, NULL,SHM_RND);
while(1)
{
printf("请输入要发送给进程%d的内容:\n",pid);
gets(buf);
kill(pid,SIGINT);
}
shmdt(buf);
}

上面两个程序分别运行得到进程A和进程B

通过获取进程id用kill函数来发送信号，从而实现A和B的通信，两个程序通过共享内存通信
四、消息队列
   1、消息队列是一个由系统内核负责存储和管理、并通过IPC对象标识符获取的数据链表。

   int msgget(key_t key, int msgflg);
   功能：创建或获取消息队列
   msgflg:
       创建：IPC_CREAT|IPC_EXEC
       获取：0

   int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
   功能：向消息队列发送消息
   msqid：msgget的返回人值
   msgp：消息（消息类型＋消息内容）的首地址
   msgsz：消息内存的长度（不包括消息类型）
   msgflg：
       MSG_NOERROR：当消息的实际长比msgsz还要长的话，
           则按照msgsz长度截取再发送，否则产生错误。

    ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
    功能：从消息队列接收消息
    msgp：存储消息的缓冲区
    msgsz：要接收的消息长度
    msgtyp：消息的的类型（它包含消息的前4个字节)
    msgflg：
       MSG_NOWAIT：如果要接收的消息不存在，直接返回。
           否则阻塞等待。
       MSG_EXCEPT：从消息队列中接收第一个不msgtyp类型的第一个消息。

    int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
   功能：控制／销毁消息队列
   cmd：
       IPC_STAT：获取消息队的属性
       IPC_SET：设置消息队列的属性
       IPC_RMID：删除消息队列

例子：

A程序

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/msg.h>
//定义消息
typedef struct Msg
{
long type;
char buf[255];
}Msg;
int main()
{
key_t key=ftok(".",1);
int msgid=msgget(key,0777|IPC_CREAT);
if(0>msgid)
{
perror( "msgget");
return -1;
}
while(1)
{
Msg msg={};
msg.type= 1;
printf("请输入发送到消息队列中的内容：\n");
gets(msg.buf);
msgsnd(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),0);
//当发送消息首字母为q退出
if('q'==msg.buf[0]) break;
msgrcv(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),2,0);
printf("接收到：%s\n",msg.buf);
//当接收消息首字母为q退出
if('q'==msg.buf[0]) break;
}
}

B程序

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/msg.h>
//定义消息
typedef struct Msg
{
long type;
char buf[255];
}Msg;
int main()
{
key_t key=ftok(".",1);
int msgid=msgget(key,0);
if(0>msgid)
{
perror( "msgget");
return -1;
}
while(1)
{
Msg msg={};
msgrcv(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),1,0);
printf("接收到：%s\n",msg.buf);
//当接收消息首字母为q退出
if('q'==msg.buf[0]) break;
printf("请输入发送到消息队列中的内容：\n");
gets(msg.buf);
msg.type= 2;
msgsnd(msgid,&msg, sizeof(msg.buf),0);
//当发送消息首字母为q退出
if('q'==msg.buf[0]) break;
}
}

进程A和B通过消息队列完成IPC

五、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。

1 #include <sys/sem.h>
2 // 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
3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
4 // 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
5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
6 // 控制信号量的相关信息
7 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：

1 struct sembuf
2 {
3 short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
4 short sem_op; // 信号量值在一次操作中的改变量
5 short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6 }

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：
    1. 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；
    2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
    3. 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
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：
    1. 信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
    2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
    3. 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

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

1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <sys/sem.h>
4
5 // 联合体，用于semctl初始化
6 union semun
7 {
8 int val; /*for SETVAL*/
9 struct semid_ds *buf;
10 unsigned short *array;
11 };
12
13 // 初始化信号量
14 int init_sem(int sem_id, int value)
15 {
16 union semun tmp;
17 tmp.val = value;
18 if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
19 {
20 perror("Init Semaphore Error");
21 return -1;
22 }
23 return 0;
24 }
25
26 // P操作:
27 // 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
28 // 若信号量值为0，进程挂起等待
29 int sem_p(int sem_id)
30 {
31 struct sembuf sbuf;
32 sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
33 sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
34 sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
35
36 if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
37 {
38 perror("P operation Error");
39 return -1;
40 }
41 return 0;
42 }
43
44 // V操作：
45 // 释放资源并将信号量值+1
46 // 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
47 int sem_v(int sem_id)
48 {
49 struct sembuf sbuf;
50 sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
51 sbuf.sem_op = 1; /*V操作*/
52 sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
53
54 if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
55 {
56 perror("V operation Error");
57 return -1;
58 }
59 return 0;
60 }
61
62 // 删除信号量集
63 int del_sem(int sem_id)
64 {
65 union semun tmp;
66 if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
67 {
68 perror("Delete Semaphore Error");
69 return -1;
70 }
71 return 0;
72 }
73
74
75 int main()
76 {
77 int sem_id; // 信号量集ID
78 key_t key;
79 pid_t pid;
80
81 // 获取key值
82 if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
83 {
84 perror("ftok error");
85 exit(1);
86 }
87
88 // 创建信号量集，其中只有一个信号量
89 if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
90 {
91 perror("semget error");
92 exit(1);
93 }
94
95 // 初始化：初值设为0资源被占用
96 init_sem(sem_id, 0);
97
98 if((pid = fork()) == -1)
99 perror("Fork Error");
100 else if(pid == 0) /*子进程*/
101 {
102 sleep(2);
103 printf("Process child: pid=%d\n", getpid());
104 sem_v(sem_id); /*释放资源*/
105 }
106 else /*父进程*/
107 {
108 sem_p(sem_id); /*等待资源*/
109 printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
110 sem_v(sem_id); /*释放资源*/
111 del_sem(sem_id); /*删除信号量集*/
112 }
113 return 0;
114 }

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。

总结：进程间通信是实现两个程序传输数据的重要手段，非常值得学习和掌握

Unix进程小结（三）进程间通信方式总结进程间通信（IPC）介绍

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