面试必备 进程间的五种通信方式

进程间通信(IPC，Inter-Process Communication)是指在不同进程间传播或交换信息。

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。

[[283876]]

一、管道

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

1. 特点

• 半双工(数据流向仅有一个方向)，具有固定的读端和写端
• 只能用于父进程或兄弟线程之间通信(具有血缘关系的线程之间)
• 一种特殊文件，可以用普通的read、write函数进行读写，但又不是普通文件，不属于任何其它文件系统，仅存在于内存之中

2. 原型

#include <unistd.h> 
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。要关闭管道只需要关闭这两个文件描述符即可。如下图：

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：

fork之后的半双工管道

从父进程到子进程之间的管道

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<stdio.h> 
#include<unistd.h> 
 
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 
 { 
 close(fd[1]); // 关闭写端 
 read(fd[0], buff, 20); 
 printf("%s", buff); 
 } 
 
 return 0; 
} 

二、命名管道(FIFO)

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

1. 特点

• 与无名管道不同，命名管道可以在无关进程间通信
• FIFO以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中，有路径名与之关联

2. 原型

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

其中的 mode 参数与下文中open函数中的 mode 相同

3. 例子

wirte：

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> // exit 
#include<fcntl.h> // O_WRONLY 
#include<sys/stat.h> 
#include<time.h> // time 
 
int main() 
{ 
 int fd; 
 int n, i; 
 char buf[1024]; 
 time_t tp; 
 
 printf("I am %d process.\n", getpid()); // 说明进程ID 
 //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。 
 if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以写打开一个FIFO  
 { 
 perror("Open FIFO Failed"); 
 exit(1); 
 } 
 
 for(i=0; i<10; ++i) 
 { 
 time(&tp); // 取系统当前时间 
 n=sprintf(buf,"Process %d's time is %s",getpid(),ctime(&tp)); 
 printf("Send message: %s", buf); // 打印 
 if(write(fd, buf, n+1) < 0) // 写入到FIFO中 
 { 
 perror("Write FIFO Failed"); 
 close(fd); 
 exit(1); 
 } 
 sleep(1); // 休眠1秒 
 } 
 
 close(fd); // 关闭FIFO文件 
 return 0; 
} 

read：

#include<stdio.h> 
#include<stdlib.h> 
#include<errno.h> 
#include<fcntl.h> 
#include<sys/stat.h> 
 
int main() 
{ 
 int fd; 
 int len; 
 char buf[1024]; 
 
 if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 创建FIFO管道 
 perror("Create FIFO Failed"); 
 
 if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0) // 以读打开FIFO 
 { 
 perror("Open FIFO Failed"); 
 exit(1); 
 } 
  
 while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 读取FIFO管道 
 printf("Read message: %s", buf); 
 
 close(fd); // 关闭FIFO文件 
 return 0; 
} 

三、消息队列

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。

1. 特点

• 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
• 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
• 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

2. 原型

#include <sys/msg.h> 
// 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); 
// 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); 
// 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); 
// 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。

3. 例子

msg_server：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/msg.h> 
 
// 用于创建一个唯一的key 
#define MSG_FILE "/etc/passwd" 
 
// 消息结构 
struct msg_form { 
 long mtype; 
 char mtext[256]; 
}; 
 
int main() 
{ 
 int msqid; 
 key_t key; 
 struct msg_form msg; 
  
 // 获取key值 
 if((key = ftok(MSG_FILE,'z')) < 0) 
 { 
 perror("ftok error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印key值 
 printf("Message Queue - Server key is: %d.\n", key); 
 
 // 创建消息队列 
 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) 
 { 
 perror("msgget error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印消息队列ID及进程ID 
 printf("My msqid is: %d.\n", msqid); 
 printf("My pid is: %d.\n", getpid()); 
 
 // 循环读取消息 
 for(;;)  
 { 
 msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回类型为888的第一个消息 
 printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); 
 printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); 
 
 msg.mtype = 999; // 客户端接收的消息类型 
 sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid()); 
 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); 
 } 
 return 0; 
} 

msg_client：

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/msg.h> 
 
// 用于创建一个唯一的key 
#define MSG_FILE "/etc/passwd" 
 
// 消息结构 
struct msg_form { 
 long mtype; 
 char mtext[256]; 
}; 
 
int main() 
{ 
 int msqid; 
 key_t key; 
 struct msg_form msg; 
 
 // 获取key值 
 if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z')) < 0)  
 { 
 perror("ftok error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印key值 
 printf("Message Queue - Client key is: %d.\n", key); 
 
 // 打开消息队列 
 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)  
 { 
 perror("msgget error"); 
 exit(1); 
 } 
 
 // 打印消息队列ID及进程ID 
 printf("My msqid is: %d.\n", msqid); 
 printf("My pid is: %d.\n", getpid()); 
 
 // 添加消息，类型为888 
 msg.mtype = 888; 
 sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid()); 
 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); 
 
 // 读取类型为777的消息 
 msgrcv(msqid, &msg, 256, 999, 0); 
 printf("Client: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); 
 printf("Client: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); 
 return 0; 
} 

四、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。

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

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

五、共享内存

1. 特点

• 共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取
• 因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步
• 信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问

2. 原型

#include <sys/shm.h> 
// 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1 
int shmget(key_t key, size_t size, int flag); 
// 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1 
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag); 
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1 
int shmdt(void *addr);  
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1 
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf); 

当用shmget函数创建一段共享内存时，必须指定其 size;而如果引用一个已存在的共享内存，则将 size 指定为0 。

当一段共享内存被创建以后，它并不能被任何进程访问。必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问。

shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的。注意，这并不是从系统中删除该共享内存，只是当前进程不能再访问该共享内存而已。

shmctl函数可以对共享内存执行多种操作，根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID(从系统中删除该共享内存)。