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进程间的五种通信方式介绍(代码片段)

上清风  上清风  2022-11-09  153

关键词：

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。

以Linux中的C语言编程为例。

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：

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。

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：

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 <unistd.h>
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。如下图：

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

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：

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。

 1 #include<stdio.h>
 2 #include<unistd.h>
 3 
 4 int main()
 5 
 6     int fd[2];  // 两个文件描述符
 7     pid_t pid;
 8     char buff[20];
 9 
10     if(pipe(fd) < 0)  // 创建管道
11         printf("Create Pipe Error!\\n");
12 
13     if((pid = fork()) < 0)  // 创建子进程
14         printf("Fork Error!\\n");
15     else if(pid > 0)  // 父进程
16     
17         close(fd[0]); // 关闭读端
18         write(fd[1], "hello world\\n", 12);
19     
20     else
21     
22         close(fd[1]); // 关闭写端
23         read(fd[0], buff, 20);
24         printf("%s", buff);
25     
26 
27     return 0;
28

二、FIFO

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

1、特点

FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

2、原型

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

其中的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件I/O函数操作它。

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。

3、例子

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程：

write_fifo.c

 1 #include<stdio.h>
 2 #include<stdlib.h>   // exit
 3 #include<fcntl.h>    // O_WRONLY
 4 #include<sys/stat.h>
 5 #include<time.h>     // time
 6 
 7 int main()
 8 
 9     int fd;
10     int n, i;
11     char buf[1024];
12     time_t tp;
13 
14     printf("I am %d process.\\n", getpid()); // 说明进程ID
15     
16     if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以写打开一个FIFO 
17     
18         perror("Open FIFO Failed");
19         exit(1);
20     
21 
22     for(i=0; i<10; ++i)
23     
24         time(&tp);  // 取系统当前时间
25         n=sprintf(buf,"Process %d\'s time is %s",getpid(),ctime(&tp));
26         printf("Send message: %s", buf); // 打印
27         if(write(fd, buf, n+1) < 0)  // 写入到FIFO中
28         
29             perror("Write FIFO Failed");
30             close(fd);
31             exit(1);
32         
33         sleep(1);  // 休眠1秒
34     
35 
36     close(fd);  // 关闭FIFO文件
37     return 0;
38

read_fifo.c

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

在两个终端里用 gcc 分别编译运行上面两个文件，可以看到输出结果如下：

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

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

上述例子可以扩展成客户进程—服务器进程通信的实例，write_fifo的作用类似于客户端，可以打开多个客户端向一个服务器发送请求信息，read_fifo类似于服务器，它适时监控着FIFO的读端，当有数据时，读出并进行处理，但是有一个关键的问题是，每一个客户端必须预先知道服务器提供的FIFO接口，下图显示了这种安排：

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

1 #include <sys/msg.h>
2 // 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
3 int msgget(key_t key, int flag);
4 // 添加消息：成功返回0，失败返回-1
5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
6 // 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
8 // 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
9 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

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