IPC(進程間通信方式的介紹) IPC(進程間通信方式的介紹)

原創 csshuke 2019-06-12 00:59
原

IPC(進程間通信方式的介紹)

2018年07月24日 14:44:50 閱讀數：360

進程間通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同進程之間傳播或交換信息。

IPC的方式通常有管道（包括無名管道和命名管道）、消息隊列、信號量、共享存儲、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主機上的兩個進程IPC。

以Linux中的C語言編程爲例。

一、管道

管道，通常指無名管道，是 UNIX 系統IPC最古老的形式。

1、特點：

  1. 它是半雙工的（即數據只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端。

  2. 它只能用於具有親緣關係的進程之間的通信（也是父子進程或者兄弟進程之間）。

  3. 它可以看成是一種特殊的文件，對於它的讀寫也可以使用普通的read、write 等函數。但是它不是普通的文件，並不屬於其他任何文件系統，並且只存在於內存中。

一、管道

管道，通常指無名管道，是 UNIX 系統IPC最古老的形式。

1、特點：

  1. 它是半雙工的（即數據只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端。

  2. 它只能用於具有親緣關係的進程之間的通信（也是父子進程或者兄弟進程之間）。

  3. 它可以看成是一種特殊的文件，對於它的讀寫也可以使用普通的read、write 等函數。但是它不是普通的文件，並不屬於其他任何文件系統，並且只存在於內存中。

2、原型：

  1. 1 #include <unistd.h>
  2. 2 int pipe(int fd[2]);    // 返回值：若成功返回0，失敗返回-1

當一個管道建立時，它會創建兩個文件描述符：fd[0]爲讀而打開，fd[1]爲寫而打開。如下圖：

要關閉管道只需將這兩個文件描述符關閉即可。

3、例子

單個進程中的管道幾乎沒有任何用處。所以，通常調用 pipe 的進程接着調用 fork，這樣就創建了父進程與子進程之間的 IPC 通道。如下圖所示：

若要數據流從父進程流向子進程，則關閉父進程的讀端（fd[0]）與子進程的寫端（fd[1]）；反之，則可以使數據流從子進程流向父進程。

複製代碼

  1.  1 #include<stdio.h>
  2.  2 #include<unistd.h>
  3.  3 
  4.  4 int main()
  5.  5 {
  6.  6     int fd[2];  // 兩個文件描述符
  7.  7     pid_t pid;
  8.  8     char buff[20];
  9.  9 
  10. 10     if(pipe(fd) < 0)  // 創建管道
  11. 11         printf("Create Pipe Error!\n");
  12. 12 
  13. 13     if((pid = fork()) < 0)  // 創建子進程
  14. 14         printf("Fork Error!\n");
  15. 15     else if(pid > 0)  // 父進程
  16. 16     {
  17. 17         close(fd[0]); // 關閉讀端
  18. 18         write(fd[1], "hello world\n", 12);
  19. 19     }
  20. 20     else
  21. 21     {
  22. 22         close(fd[1]); // 關閉寫端
  23. 23         read(fd[0], buff, 20);
  24. 24         printf("%s", buff);
  25. 25     }
  26. 26 
  27. 27     return 0;
  28. 28 }

複製代碼

二、FIFO

FIFO，也稱爲命名管道，它是一種文件類型。

1、特點

  1. FIFO可以在無關的進程之間交換數據，與無名管道不同。

  2. FIFO有路徑名與之相關聯，它以一種特殊設備文件形式存在於文件系統中。

2、原型

  1. 1 #include <sys/stat.h>
  2. 2 // 返回值：成功返回0，出錯返回-1
  3. 3 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

其中的 mode 參數與open函數中的 mode 相同。一旦創建了一個 FIFO，就可以用一般的文件I/O函數操作它。

當 open 一個FIFO時，是否設置非阻塞標誌（O_NONBLOCK）的區別：

  • 若沒有指定O_NONBLOCK（默認），只讀 open 要阻塞到某個其他進程爲寫而打開此 FIFO。類似的，只寫 open 要阻塞到某個其他進程爲讀而打開它。

  • 若指定了O_NONBLOCK，則只讀 open 立即返回。而只寫 open 將出錯返回 -1 如果沒有進程已經爲讀而打開該 FIFO，其errno置ENXIO。

3、例子

FIFO的通信方式類似於在進程中使用文件來傳輸數據，只不過FIFO類型文件同時具有管道的特性。在數據讀出時，FIFO管道中同時清除數據，並且“先進先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 進行 IPC 的過程：

write_fifo.c

複製代碼

  1.  1 #include<stdio.h>
  2.  2 #include<stdlib.h>   // exit
  3.  3 #include<fcntl.h>    // O_WRONLY
  4.  4 #include<sys/stat.h>
  5.  5 #include<time.h>     // time
  6.  6 
  7.  7 int main()
  8.  8 {
  9.  9     int fd;
  10. 10     int n, i;
  11. 11     char buf[1024];
  12. 12     time_t tp;
  13. 13 
  14. 14     printf("I am %d process.\n", getpid()); // 說明進程ID
  15. 15     
  16. 16     if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以寫打開一個FIFO 
  17. 17     {
  18. 18         perror("Open FIFO Failed");
  19. 19         exit(1);
  20. 20     }
  21. 21 
  22. 22     for(i=0; i<10; ++i)
  23. 23     {
  24. 24         time(&tp);  // 取系統當前時間
  25. 25         n=sprintf(buf,"Process %d's time is %s",getpid(),ctime(&tp));
  26. 26         printf("Send message: %s", buf); // 打印
  27. 27         if(write(fd, buf, n+1) < 0)  // 寫入到FIFO中
  28. 28         {
  29. 29             perror("Write FIFO Failed");
  30. 30             close(fd);
  31. 31             exit(1);
  32. 32         }
  33. 33         sleep(1);  // 休眠1秒
  34. 34     }
  35. 35 
  36. 36     close(fd);  // 關閉FIFO文件
  37. 37     return 0;
  38. 38 }

複製代碼

read_fifo.c

複製代碼

  1.  1 #include<stdio.h>
  2.  2 #include<stdlib.h>
  3.  3 #include<errno.h>
  4.  4 #include<fcntl.h>
  5.  5 #include<sys/stat.h>
  6.  6 
  7.  7 int main()
  8.  8 {
  9.  9     int fd;
  10. 10     int len;
  11. 11     char buf[1024];
  12. 12 
  13. 13     if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 創建FIFO管道
  14. 14         perror("Create FIFO Failed");
  15. 15 
  16. 16     if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0)  // 以讀打開FIFO
  17. 17     {
  18. 18         perror("Open FIFO Failed");
  19. 19         exit(1);
  20. 20     }
  21. 21     
  22. 22     while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 讀取FIFO管道
  23. 23         printf("Read message: %s", buf);
  24. 24 
  25. 25     close(fd);  // 關閉FIFO文件
  26. 26     return 0;
  27. 27 }

複製代碼

在兩個終端裏用 gcc 分別編譯運行上面兩個文件，可以看到輸出結果如下：

複製代碼

  1.  1 [cheesezh@localhost]$ ./write_fifo 
  2.  2 I am 5954 process.
  3.  3 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
  4.  4 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
  5.  5 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
  6.  6 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
  7.  7 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
  8.  8 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
  9.  9 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
  10. 10 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
  11. 11 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
  12. 12 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015

複製代碼

 

複製代碼

  1.  1 [cheesezh@localhost]$ ./read_fifo 
  2.  2 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
  3.  3 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
  4.  4 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
  5.  5 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
  6.  6 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
  7.  7 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
  8.  8 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
  9.  9 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
  10. 10 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
  11. 11 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015

複製代碼

上述例子可以擴展成 客戶進程—服務器進程 通信的實例，write_fifo的作用類似於客戶端，可以打開多個客戶端向一個服務器發送請求信息，read_fifo類似於服務器，它適時監控着FIFO的讀端，當有數據時，讀出並進行處理，但是有一個關鍵的問題是，每一個客戶端必須預先知道服務器提供的FIFO接口，下圖顯示了這種安排：

三、消息隊列

消息隊列，是消息的鏈接表，存放在內核中。一個消息隊列由一個標識符（即隊列ID）來標識。

1、特點

  1. 消息隊列是面向記錄的，其中的消息具有特定的格式以及特定的優先級。

  2. 消息隊列獨立於發送與接收進程。進程終止時，消息隊列及其內容並不會被刪除。

  3. 消息隊列可以實現消息的隨機查詢,消息不一定要以先進先出的次序讀取,也可以按消息的類型讀取。

2、原型

複製代碼

  1. 1 #include <sys/msg.h>
  2. 2 // 創建或打開消息隊列：成功返回隊列ID，失敗返回-1
  3. 3 int msgget(key_t key, int flag);
  4. 4 // 添加消息：成功返回0，失敗返回-1
  5. 5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
  6. 6 // 讀取消息：成功返回消息數據的長度，失敗返回-1
  7. 7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
  8. 8 // 控制消息隊列：成功返回0，失敗返回-1
  9. 9 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

複製代碼

在以下兩種情況下，msgget將創建一個新的消息隊列：

  • 如果沒有與鍵值key相對應的消息隊列，並且flag中包含了IPC_CREAT標誌位。
  • key參數爲IPC_PRIVATE。

函數msgrcv在讀取消息隊列時，type參數有下面幾種情況：

  • type == 0，返回隊列中的第一個消息；
  • type > 0，返回隊列中消息類型爲 type 的第一個消息；
  • type < 0，返回隊列中消息類型值小於或等於 type 絕對值的消息，如果有多個，則取類型值最小的消息。

可以看出，type值非 0 時用於以非先進先出次序讀消息。也可以把 type 看做優先級的權值。（其他的參數解釋，請自行Google之）

3、例子

下面寫了一個簡單的使用消息隊列進行IPC的例子，服務端程序一直在等待特定類型的消息，當收到該類型的消息以後，發送另一種特定類型的消息作爲反饋，客戶端讀取該反饋並打印出來。

msg_server.c

複製代碼

  1.  1 #include <stdio.h>
  2.  2 #include <stdlib.h>
  3.  3 #include <sys/msg.h>
  4.  4 
  5.  5 // 用於創建一個唯一的key
  6.  6 #define MSG_FILE "/etc/passwd"
  7.  7 
  8.  8 // 消息結構
  9.  9 struct msg_form {
  10. 10     long mtype;
  11. 11     char mtext[256];
  12. 12 };
  13. 13 
  14. 14 int main()
  15. 15 {
  16. 16     int msqid;
  17. 17     key_t key;
  18. 18     struct msg_form msg;
  19. 19     
  20. 20     // 獲取key值
  21. 21     if((key = ftok(MSG_FILE,'z')) < 0)
  22. 22     {
  23. 23         perror("ftok error");
  24. 24         exit(1);
  25. 25     }
  26. 26 
  27. 27     // 打印key值
  28. 28     printf("Message Queue - Server key is: %d.\n", key);
  29. 29 
  30. 30     // 創建消息隊列
  31. 31     if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
  32. 32     {
  33. 33         perror("msgget error");
  34. 34         exit(1);
  35. 35     }
  36. 36 
  37. 37     // 打印消息隊列ID及進程ID
  38. 38     printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
  39. 39     printf("My pid is: %d.\n", getpid());
  40. 40 
  41. 41     // 循環讀取消息
  42. 42     for(;;) 
  43. 43     {
  44. 44         msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回類型爲888的第一個消息
  45. 45         printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
  46. 46         printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);
  47. 47 
  48. 48         msg.mtype = 999; // 客戶端接收的消息類型
  49. 49         sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid());
  50. 50         msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
  51. 51     }
  52. 52     return 0;
  53. 53 }

複製代碼

msg_client.c

複製代碼

  1.  1 #include <stdio.h>
  2.  2 #include <stdlib.h>
  3.  3 #include <sys/msg.h>
  4.  4 
  5.  5 // 用於創建一個唯一的key
  6.  6 #define MSG_FILE "/etc/passwd"
  7.  7 
  8.  8 // 消息結構
  9.  9 struct msg_form {
  10. 10     long mtype;
  11. 11     char mtext[256];
  12. 12 };
  13. 13 
  14. 14 int main()
  15. 15 {
  16. 16     int msqid;
  17. 17     key_t key;
  18. 18     struct msg_form msg;
  19. 19 
  20. 20     // 獲取key值
  21. 21     if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z')) < 0) 
  22. 22     {
  23. 23         perror("ftok error");
  24. 24         exit(1);
  25. 25     }
  26. 26 
  27. 27     // 打印key值
  28. 28     printf("Message Queue - Client key is: %d.\n", key);
  29. 29 
  30. 30     // 打開消息隊列
  31. 31     if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) 
  32. 32     {
  33. 33         perror("msgget error");
  34. 34         exit(1);
  35. 35     }
  36. 36 
  37. 37     // 打印消息隊列ID及進程ID
  38. 38     printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
  39. 39     printf("My pid is: %d.\n", getpid());
  40. 40 
  41. 41     // 添加消息，類型爲888
  42. 42     msg.mtype = 888;
  43. 43     sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid());
  44. 44     msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
  45. 45 
  46. 46     // 讀取類型爲777的消息
  47. 47     msgrcv(msqid, &msg, 256, 999, 0);
  48. 48     printf("Client: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
  49. 49     printf("Client: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);
  50. 50     return 0;
  51. 51 }

複製代碼

四、信號量

信號量（semaphore）與已經介紹過的 IPC 結構不同，它是一個計數器。信號量用於實現進程間的互斥與同步，而不是用於存儲進程間通信數據。

1、特點

  1. 信號量用於進程間同步，若要在進程間傳遞數據需要結合共享內存。

  2. 信號量基於操作系統的 PV 操作，程序對信號量的操作都是原子操作。

  3. 每次對信號量的 PV 操作不僅限於對信號量值加 1 或減 1，而且可以加減任意正整數。

  4. 支持信號量組。

2、原型

最簡單的信號量是隻能取 0 和 1 的變量，這也是信號量最常見的一種形式，叫做二值信號量（Binary Semaphore）。而可以取多個正整數的信號量被稱爲通用信號量。

Linux 下的信號量函數都是在通用的信號量數組上進行操作，而不是在一個單一的二值信號量上進行操作。

複製代碼

  1. 1 #include <sys/sem.h>
  2. 2 // 創建或獲取一個信號量組：若成功返回信號量集ID，失敗返回-1
  3. 3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
  4. 4 // 對信號量組進行操作，改變信號量的值：成功返回0，失敗返回-1
  5. 5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
  6. 6 // 控制信號量的相關信息
  7. 7 int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

複製代碼

當semget創建新的信號量集合時，必須指定集合中信號量的個數（即num_sems），通常爲1； 如果是引用一個現有的集合，則將num_sems指定爲 0 。

在semop函數中，sembuf結構的定義如下：

複製代碼

  1. 1 struct sembuf 
  2. 2 {
  3. 3     short sem_num; // 信號量組中對應的序號，0～sem_nums-1
  4. 4     short sem_op;  // 信號量值在一次操作中的改變量
  5. 5     short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
  6. 6 }

複製代碼

其中 sem_op 是一次操作中的信號量的改變量：

  • 若sem_op > 0，表示進程釋放相應的資源數，將 sem_op 的值加到信號量的值上。如果有進程正在休眠等待此信號量，則換行它們。

  • 若sem_op < 0，請求 sem_op 的絕對值的資源。

    <ul><li>如果相應的資源數可以滿足請求，則將該信號量的值減去sem_op的絕對值，函數成功返回。</li>
	<li>當相應的資源數不能滿足請求時，這個操作與<code>sem_flg</code>有關。
	<ul><li>sem_flg 指定<code>IPC_NOWAIT</code>，則semop函數出錯返回<code>EAGAIN</code>。</li>
		<li>sem_flg 沒有指定<code>IPC_NOWAIT</code>，則將該信號量的semncnt值加1，然後進程掛起直到下述情況發生：
		<ol><li>當相應的資源數可以滿足請求，此信號量的semncnt值減1，該信號量的值減去sem_op的絕對值。成功返回；</li>
			<li>此信號量被刪除，函數smeop出錯返回EIDRM；</li>
			<li>進程捕捉到信號，並從信號處理函數返回，此情況下將此信號量的semncnt值減1，函數semop出錯返回EINTR</li>
		</ol></li>
	</ul></li>
</ul></li>
<li>
<p>若<code>sem_op == 0</code>，進程阻塞直到信號量的相應值爲0：</p>

<ul><li>當信號量已經爲0，函數立即返回。</li>
	<li>如果信號量的值不爲0，則依據<code>sem_flg</code>決定函數動作：
	<ul><li>sem_flg指定<code>IPC_NOWAIT</code>，則出錯返回<code>EAGAIN</code>。</li>
		<li>sem_flg沒有指定<code>IPC_NOWAIT</code>，則將該信號量的semncnt值加1，然後進程掛起直到下述情況發生：
		<ol><li>信號量值爲0，將信號量的semzcnt的值減1，函數semop成功返回；</li>
			<li>此信號量被刪除，函數smeop出錯返回EIDRM；</li>
			<li>進程捕捉到信號，並從信號處理函數返回，在此情況將此信號量的semncnt值減1，函數semop出錯返回EINTR</li>
		</ol></li>
	</ul></li>
</ul></li>

在semctl函數中的命令有多種，這裏就說兩個常用的：

  • SETVAL：用於初始化信號量爲一個已知的值。所需要的值作爲聯合semun的val成員來傳遞。在信號量第一次使用之前需要設置信號量。
  • IPC_RMID：刪除一個信號量集合。如果不刪除信號量，它將繼續在系統中存在，即使程序已經退出，它可能在你下次運行此程序時引發問題，而且信號量是一種有限的資源。

3、例子

複製代碼

  1.   1 #include<stdio.h>
  2.   2 #include<stdlib.h>
  3.   3 #include<sys/sem.h>
  4.   4 
  5.   5 // 聯合體，用於semctl初始化
  6.   6 union semun
  7.   7 {
  8.   8     int              val; /*for SETVAL*/
  9.   9     struct semid_ds *buf;
  10.  10     unsigned short  *array;
  11.  11 };
  12.  12 
  13.  13 // 初始化信號量
  14.  14 int init_sem(int sem_id, int value)
  15.  15 {
  16.  16     union semun tmp;
  17.  17     tmp.val = value;
  18.  18     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
  19.  19     {
  20.  20         perror("Init Semaphore Error");
  21.  21         return -1;
  22.  22     }
  23.  23     return 0;
  24.  24 }
  25.  25 
  26.  26 // P操作:
  27.  27 //    若信號量值爲1，獲取資源並將信號量值-1 
  28.  28 //    若信號量值爲0，進程掛起等待
  29.  29 int sem_p(int sem_id)
  30.  30 {
  31.  31     struct sembuf sbuf;
  32.  32     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
  33.  33     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
  34.  34     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
  35.  35 
  36.  36     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
  37.  37     {
  38.  38         perror("P operation Error");
  39.  39         return -1;
  40.  40     }
  41.  41     return 0;
  42.  42 }
  43.  43 
  44.  44 // V操作：
  45.  45 //    釋放資源並將信號量值+1
  46.  46 //    如果有進程正在掛起等待，則喚醒它們
  47.  47 int sem_v(int sem_id)
  48.  48 {
  49.  49     struct sembuf sbuf;
  50.  50     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
  51.  51     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
  52.  52     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
  53.  53 
  54.  54     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
  55.  55     {
  56.  56         perror("V operation Error");
  57.  57         return -1;
  58.  58     }
  59.  59     return 0;
  60.  60 }
  61.  61 
  62.  62 // 刪除信號量集
  63.  63 int del_sem(int sem_id)
  64.  64 {
  65.  65     union semun tmp;
  66.  66     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
  67.  67     {
  68.  68         perror("Delete Semaphore Error");
  69.  69         return -1;
  70.  70     }
  71.  71     return 0;
  72.  72 }
  73.  73 
  74.  74 
  75.  75 int main()
  76.  76 {
  77.  77     int sem_id;  // 信號量集ID
  78.  78     key_t key;  
  79.  79     pid_t pid;
  80.  80 
  81.  81     // 獲取key值
  82.  82     if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
  83.  83     {
  84.  84         perror("ftok error");
  85.  85         exit(1);
  86.  86     }
  87.  87 
  88.  88     // 創建信號量集，其中只有一個信號量
  89.  89     if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
  90.  90     {
  91.  91         perror("semget error");
  92.  92         exit(1);
  93.  93     }
  94.  94 
  95.  95     // 初始化：初值設爲0資源被佔用
  96.  96     init_sem(sem_id, 0);
  97.  97 
  98.  98     if((pid = fork()) == -1)
  99.  99         perror("Fork Error");
  100. 100     else if(pid == 0) /*子進程*/ 
  101. 101     {
  102. 102         sleep(2);
  103. 103         printf("Process child: pid=%d\n", getpid());
  104. 104         sem_v(sem_id);  /*釋放資源*/
  105. 105     }
  106. 106     else  /*父進程*/
  107. 107     {
  108. 108         sem_p(sem_id);   /*等待資源*/
  109. 109         printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
  110. 110         sem_v(sem_id);   /*釋放資源*/
  111. 111         del_sem(sem_id); /*刪除信號量集*/
  112. 112     }
  113. 113     return 0;
  114. 114 }

複製代碼

上面的例子如果不加信號量，則父進程會先執行完畢。這裏加了信號量讓父進程等待子進程執行完以後再執行。

五、共享內存

共享內存（Shared Memory），指兩個或多個進程共享一個給定的存儲區。

1、特點

  1. 共享內存是最快的一種 IPC，因爲進程是直接對內存進行存取。

  2. 因爲多個進程可以同時操作，所以需要進行同步。

  3. 信號量+共享內存通常結合在一起使用，信號量用來同步對共享內存的訪問。

2、原型

複製代碼

  1. 1 #include <sys/shm.h>
  2. 2 // 創建或獲取一個共享內存：成功返回共享內存ID，失敗返回-1
  3. 3 int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
  4. 4 // 連接共享內存到當前進程的地址空間：成功返回指向共享內存的指針，失敗返回-1
  5. 5 void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
  6. 6 // 斷開與共享內存的連接：成功返回0，失敗返回-1
  7. 7 int shmdt(void *addr); 
  8. 8 // 控制共享內存的相關信息：成功返回0，失敗返回-1
  9. 9 int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

複製代碼

當用shmget函數創建一段共享內存時，必須指定其 size；而如果引用一個已存在的共享內存，則將 size 指定爲0 。

當一段共享內存被創建以後，它並不能被任何進程訪問。必須使用shmat函數連接該共享內存到當前進程的地址空間，連接成功後把共享內存區對象映射到調用進程的地址空間，隨後可像本地空間一樣訪問。

shmdt函數是用來斷開shmat建立的連接的。注意，這並不是從系統中刪除該共享內存，只是當前進程不能再訪問該共享內存而已。

shmctl函數可以對共享內存執行多種操作，根據參數 cmd 執行相應的操作。常用的是IPC_RMID（從系統中刪除該共享內存）。

3、例子

下面這個例子，使用了【共享內存+信號量+消息隊列】的組合來實現服務器進程與客戶進程間的通信。

  • 共享內存用來傳遞數據；
  • 信號量用來同步；
  • 消息隊列用來 在客戶端修改了共享內存後 通知服務器讀取。

server.c

複製代碼

  1.   1 #include<stdio.h>
  2.   2 #include<stdlib.h>
  3.   3 #include<sys/shm.h>  // shared memory
  4.   4 #include<sys/sem.h>  // semaphore
  5.   5 #include<sys/msg.h>  // message queue
  6.   6 #include<string.h>   // memcpy
  7.   7 
  8.   8 // 消息隊列結構
  9.   9 struct msg_form {
  10.  10     long mtype;
  11.  11     char mtext;
  12.  12 };
  13.  13 
  14.  14 // 聯合體，用於semctl初始化
  15.  15 union semun
  16.  16 {
  17.  17     int              val; /*for SETVAL*/
  18.  18     struct semid_ds *buf;
  19.  19     unsigned short  *array;
  20.  20 };
  21.  21 
  22.  22 // 初始化信號量
  23.  23 int init_sem(int sem_id, int value)
  24.  24 {
  25.  25     union semun tmp;
  26.  26     tmp.val = value;
  27.  27     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
  28.  28     {
  29.  29         perror("Init Semaphore Error");
  30.  30         return -1;
  31.  31     }
  32.  32     return 0;
  33.  33 }
  34.  34 
  35.  35 // P操作:
  36.  36 //  若信號量值爲1，獲取資源並將信號量值-1 
  37.  37 //  若信號量值爲0，進程掛起等待
  38.  38 int sem_p(int sem_id)
  39.  39 {
  40.  40     struct sembuf sbuf;
  41.  41     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
  42.  42     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
  43.  43     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
  44.  44 
  45.  45     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
  46.  46     {
  47.  47         perror("P operation Error");
  48.  48         return -1;
  49.  49     }
  50.  50     return 0;
  51.  51 }
  52.  52 
  53.  53 // V操作：
  54.  54 //  釋放資源並將信號量值+1
  55.  55 //  如果有進程正在掛起等待，則喚醒它們
  56.  56 int sem_v(int sem_id)
  57.  57 {
  58.  58     struct sembuf sbuf;
  59.  59     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
  60.  60     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
  61.  61     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
  62.  62 
  63.  63     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
  64.  64     {
  65.  65         perror("V operation Error");
  66.  66         return -1;
  67.  67     }
  68.  68     return 0;
  69.  69 }
  70.  70 
  71.  71 // 刪除信號量集
  72.  72 int del_sem(int sem_id)
  73.  73 {
  74.  74     union semun tmp;
  75.  75     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
  76.  76     {
  77.  77         perror("Delete Semaphore Error");
  78.  78         return -1;
  79.  79     }
  80.  80     return 0;
  81.  81 }
  82.  82 
  83.  83 // 創建一個信號量集
  84.  84 int creat_sem(key_t key)
  85.  85 {
  86.  86     int sem_id;
  87.  87     if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
  88.  88     {
  89.  89         perror("semget error");
  90.  90         exit(-1);
  91.  91     }
  92.  92     init_sem(sem_id, 1);  /*初值設爲1資源未佔用*/
  93.  93     return sem_id;
  94.  94 }
  95.  95 
  96.  96 
  97.  97 int main()
  98.  98 {
  99.  99     key_t key;
  100. 100     int shmid, semid, msqid;
  101. 101     char *shm;
  102. 102     char data[] = "this is server";
  103. 103     struct shmid_ds buf1;  /*用於刪除共享內存*/
  104. 104     struct msqid_ds buf2;  /*用於刪除消息隊列*/
  105. 105     struct msg_form msg;  /*消息隊列用於通知對方更新了共享內存*/
  106. 106 
  107. 107     // 獲取key值
  108. 108     if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
  109. 109     {
  110. 110         perror("ftok error");
  111. 111         exit(1);
  112. 112     }
  113. 113 
  114. 114     // 創建共享內存
  115. 115     if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1)
  116. 116     {
  117. 117         perror("Create Shared Memory Error");
  118. 118         exit(1);
  119. 119     }
  120. 120 
  121. 121     // 連接共享內存
  122. 122     shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
  123. 123     if((int)shm == -1)
  124. 124     {
  125. 125         perror("Attach Shared Memory Error");
  126. 126         exit(1);
  127. 127     }
  128. 128 
  129. 129 
  130. 130     // 創建消息隊列
  131. 131     if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
  132. 132     {
  133. 133         perror("msgget error");
  134. 134         exit(1);
  135. 135     }
  136. 136 
  137. 137     // 創建信號量
  138. 138     semid = creat_sem(key);
  139. 139     
  140. 140     // 讀數據
  141. 141     while(1)
  142. 142     {
  143. 143         msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0); /*讀取類型爲888的消息*/
  144. 144         if(msg.mtext == 'q')  /*quit - 跳出循環*/ 
  145. 145             break;
  146. 146         if(msg.mtext == 'r')  /*read - 讀共享內存*/
  147. 147         {
  148. 148             sem_p(semid);
  149. 149             printf("%s\n",shm);
  150. 150             sem_v(semid);
  151. 151         }
  152. 152     }
  153. 153 
  154. 154     // 斷開連接
  155. 155     shmdt(shm);
  156. 156 
  157. 157     /*刪除共享內存、消息隊列、信號量*/
  158. 158     shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1);
  159. 159     msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2);
  160. 160     del_sem(semid);
  161. 161     return 0;
  162. 162 }

複製代碼

client.c

複製代碼

  1.   1 #include<stdio.h>
  2.   2 #include<stdlib.h>
  3.   3 #include<sys/shm.h>  // shared memory
  4.   4 #include<sys/sem.h>  // semaphore
  5.   5 #include<sys/msg.h>  // message queue
  6.   6 #include<string.h>   // memcpy
  7.   7 
  8.   8 // 消息隊列結構
  9.   9 struct msg_form {
  10.  10     long mtype;
  11.  11     char mtext;
  12.  12 };
  13.  13 
  14.  14 // 聯合體，用於semctl初始化
  15.  15 union semun
  16.  16 {
  17.  17     int              val; /*for SETVAL*/
  18.  18     struct semid_ds *buf;
  19.  19     unsigned short  *array;
  20.  20 };
  21.  21 
  22.  22 // P操作:
  23.  23 //  若信號量值爲1，獲取資源並將信號量值-1 
  24.  24 //  若信號量值爲0，進程掛起等待
  25.  25 int sem_p(int sem_id)
  26.  26 {
  27.  27     struct sembuf sbuf;
  28.  28     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
  29.  29     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
  30.  30     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
  31.  31 
  32.  32     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
  33.  33     {
  34.  34         perror("P operation Error");
  35.  35         return -1;
  36.  36     }
  37.  37     return 0;
  38.  38 }
  39.  39 
  40.  40 // V操作：
  41.  41 //  釋放資源並將信號量值+1
  42.  42 //  如果有進程正在掛起等待，則喚醒它們
  43.  43 int sem_v(int sem_id)
  44.  44 {
  45.  45     struct sembuf sbuf;
  46.  46     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
  47.  47     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
  48.  48     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
  49.  49 
  50.  50     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
  51.  51     {
  52.  52         perror("V operation Error");
  53.  53         return -1;
  54.  54     }
  55.  55     return 0;
  56.  56 }
  57.  57 
  58.  58 
  59.  59 int main()
  60.  60 {
  61.  61     key_t key;
  62.  62     int shmid, semid, msqid;
  63.  63     char *shm;
  64.  64     struct msg_form msg;
  65.  65     int flag = 1; /*while循環條件*/
  66.  66 
  67.  67     // 獲取key值
  68.  68     if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
  69.  69     {
  70.  70         perror("ftok error");
  71.  71         exit(1);
  72.  72     }
  73.  73 
  74.  74     // 獲取共享內存
  75.  75     if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1)
  76.  76     {
  77.  77         perror("shmget error");
  78.  78         exit(1);
  79.  79     }
  80.  80 
  81.  81     // 連接共享內存
  82.  82     shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
  83.  83     if((int)shm == -1)
  84.  84     {
  85.  85         perror("Attach Shared Memory Error");
  86.  86         exit(1);
  87.  87     }
  88.  88 
  89.  89     // 創建消息隊列
  90.  90     if ((msqid = msgget(key, 0)) == -1)
  91.  91     {
  92.  92         perror("msgget error");
  93.  93         exit(1);
  94.  94     }
  95.  95 
  96.  96     // 獲取信號量
  97.  97     if((semid = semget(key, 0, 0)) == -1)
  98.  98     {
  99.  99         perror("semget error");
  100. 100         exit(1);
  101. 101     }
  102. 102     
  103. 103     // 寫數據
  104. 104     printf("***************************************\n");
  105. 105     printf("*                 IPC                 *\n");
  106. 106     printf("*    Input r to send data to server.  *\n");
  107. 107     printf("*    Input q to quit.                 *\n");
  108. 108     printf("***************************************\n");
  109. 109     
  110. 110     while(flag)
  111. 111     {
  112. 112         char c;
  113. 113         printf("Please input command: ");
  114. 114         scanf("%c", &c);
  115. 115         switch(c)
  116. 116         {
  117. 117             case 'r':
  118. 118                 printf("Data to send: ");
  119. 119                 sem_p(semid);  /*訪問資源*/
  120. 120                 scanf("%s", shm);
  121. 121                 sem_v(semid);  /*釋放資源*/
  122. 122                 /*清空標準輸入緩衝區*/
  123. 123                 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
  124. 124                 msg.mtype = 888;  
  125. 125                 msg.mtext = 'r';  /*發送消息通知服務器讀數據*/
  126. 126                 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
  127. 127                 break;
  128. 128             case 'q':
  129. 129                 msg.mtype = 888;
  130. 130                 msg.mtext = 'q';
  131. 131                 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
  132. 132                 flag = 0;
  133. 133                 break;
  134. 134             default:
  135. 135                 printf("Wrong input!\n");
  136. 136                 /*清空標準輸入緩衝區*/
  137. 137                 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
  138. 138         }
  139. 139     }
  140. 140 
  141. 141     // 斷開連接
  142. 142     shmdt(shm);
  143. 143 
  144. 144     return 0;
  145. 145 }

複製代碼

注意：當scanf()輸入字符或字符串時，緩衝區中遺留下了\n，所以每次輸入操作後都需要清空標準輸入的緩衝區。但是由於 gcc 編譯器不支持fflush(stdin)（它只是標準C的擴展），所以我們使用了替代方案：

1 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);

 

 

五種通訊方式總結

 

 

1.管道：速度慢，容量有限，只有父子進程能通訊    

2.FIFO：任何進程間都能通訊，但速度慢    

3.消息隊列：容量受到系統限制，且要注意第一次讀的時候，要考慮上一次沒有讀完數據的問題    

4.信號量：不能傳遞複雜消息，只能用來同步    

5.共享內存區：能夠很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一個進程在寫的時候，另一個進程要注意讀寫的問題，相當於線程中的線程安全，當然，共享內存區同樣可以用作線程間通訊，不過沒這個必要，線程間本來就已經共享了同一進程內的一塊內存

補充：

 

套接字通信

套接字( socket ) ： 套接口也是一種進程間通信機制，與其他通信機制不同的是，它可用於不同機器間的進程通信。

之前寫過一個課程設計：基於Internet的Linux客戶機/服務器系統通訊設計與實現

是利用sock通信實現的，可以參考一下。

通信過程如下：

8.1命名socket

SOCK_STREAM 式本地套接字的通信雙方均需要具有本地地址，其中服務器端的本地地址需要明確指定，指定方法是使用 struct sockaddr_un 類型的變量。

8.2 綁定

SOCK_STREAM 式本地套接字的通信雙方均需要具有本地地址，其中服務器端的本地地址需要明確指定，指定方法是使用 struct sockaddr_un 類型的變量，將相應字段賦值，再將其綁定在創建的服務器套接字上，綁定要使用 bind 系統調用，其原形如下：

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len); 
其中 socket表示服務器端的套接字描述符，address 表示需要綁定的本地地址，是一個 struct sockaddr_un 類型的變量，address_len 表示該本地地址的字節長度。

8.3 監聽

服務器端套接字創建完畢並賦予本地地址值（名稱，本例中爲Server Socket）後，需要進行監聽，等待客戶端連接並處理請求，監聽使用 listen 系統調用，接受客戶端連接使用accept系統調用，它們的原形如下：

  1. int listen(int socket, int backlog);
  2.  
  3. int accept(int socket, struct sockaddr *address, size_t *address_len);
  • 1
  • 2
  • 3

其中 socket 表示服務器端的套接字描述符；backlog 表示排隊連接隊列的長度（若有多個客戶端同時連接，則需要進行排隊）；address 表示當前連接客戶端的本地地址，該參數爲輸出參數，是客戶端傳遞過來的關於自身的信息；address_len 表示當前連接客戶端本地地址的字節長度，這個參數既是輸入參數，又是輸出參數。

8.4 連接服務器

客戶端套接字創建完畢並賦予本地地址值後，需要連接到服務器端進行通信，讓服務器端爲其提供處理服務。

對於SOCK_STREAM類型的流式套接字，需要客戶端與服務器之間進行連接方可使用。連接要使用 connect 系統調用，其原形爲

int connect(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);
  • 1

其中socket爲客戶端的套接字描述符，address表示當前客戶端的本地地址，是一個 struct sockaddr_un 類型的變量，address_len 表示本地地址的字節長度。實現連接的代碼如下：

connect(client_sockfd, (struct sockaddr*)&client_address, sizeof(client_address));
  • 1

8.5 相互發送接收數據

無論客戶端還是服務器，都要和對方進行數據上的交互，這種交互也正是我們進程通信的主題。一個進程扮演客戶端的角色，另外一個進程扮演服務器的角色，兩個進程之間相互發送接收數據，這就是基於本地套接字的進程通信。發送和接收數據要使用 write 和 read 系統調用，它們的原形爲：

  1. int read(int socket, char *buffer, size_t len);
  2. int write(int socket, char *buffer, size_t len);
  • 1
  • 2

其中 socket 爲套接字描述符；len 爲需要發送或需要接收的數據長度；

對於 read 系統調用，buffer 是用來存放接收數據的緩衝區，即接收來的數據存入其中，是一個輸出參數；

對於 write 系統調用，buffer 用來存放需要發送出去的數據，即 buffer 內的數據被髮送出去，是一個輸入參數；返回值爲已經發送或接收的數據長度。

8.6 斷開連接

交互完成後，需要將連接斷開以節省資源，使用close系統調用，其原形爲：

 

轉載自 http://www.cnblogs.com/CheeseZH/p/5264465.html

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