本文详细解析了Linux系统中IPC机制的三种形式：SystemV IPC、BSD IPC和POSIX IPC，以及Socket通信的基本概念和实现原理。重点讨论了信号、管道、信号量、共享内存和消息队列等工具的使用方法，并通过代码示例展示了如何在实际应用中进行跨进程通信。同时，文章还介绍了Socket通信中的域名、类型和协议，以及如何创建、命名、监听和接受连接的步骤，帮助开发者掌握Linux环境下进程间高效协作的关键技术。
System V,BSD,POSIX
System V是Unix操作系统最早的商业发行版之一。它最初由AT&T(American Telephone & Telegraph)开发，最早在1983年发布。System V主要发行了4个版本，其中SVR4(System V Release 4)是最成功的版本。BSD(Berkeley Software Distribution，有时也被称为Berkeley Unix)是加州大学于1977至1995年间开发的。在19世纪八十年代至九十年代之间，System V和BSD代表了Unix的两种主要的操作风格。它们的主要区别如下:
系统 System V BSD
root脚本位置 /etc/init.d/ /etc/rc.d/
默认shell Bshell Cshell
文件系统数据 /etc/mnttab /etc/mtab
内核位置 /UNIX /vmUnix
打印机设备 lp rlp
字符串函数 memcopy bcopy
终端初始化设置文件 /etc/initab /etc/ttys
终端控制 termio termios
Linux系统的操作风格往往介于这两种风格之间。
POSIX(Portable Operating System Interface [for Unix])是由IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，电子电气工程协会)开发的。现有的大部分Unix都遵循POSIX标准，而Linux从一开始就遵循POSIX标准。
最初的Unix IPC
1、信号
信号是Unix/Linux系统在一定条件下生成的事件。信号是一种异步通信机制，进程不需要执行任何操作来等待信号的到达。信号异步通知接收信号的进程发生了某个事件，然后操作系统将会中断接收到信号的进程的执行，转而去执行相应的信号处理程序。
(1)注册信号处理函数
#include <signal.h>
/*typedef void (*sighandler_t)(int); sighandler_t signal(int signum,sighandler_t handler);*/
* void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int); //SIG_IGN && SIG_DFL
* int sigaction(int signum, const struct sigaction *act,struct sigaction *oldact);
(2)发送信号
#include <signal.h>
* int kill(pid_t pid,int sig); //#include <sys/types.h>
* int raise(int sig); //kill(getpid(),sig);
* unsigned int alarm(unsigned int seconds); //(#include <unistd.h>) seconds秒后，向进程本身发送SIGALRM信号。
(3)信号集
信号集被定义为:typedef struct {unsigned long sig[_NSIG_WORDS];} sigset_t;
* int sigaddset(sigset_t *set,int sig);
* int sigemptyset(sigset_t *set);
2、管道(Pipe)
管道用来连接不同进程之间的数据流。
(1)在两个程序之间传递数据的最简单的方法是使用popen()和pclose()函数:
#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *command, const char *open_mode);
int pclose(FILE *stream);
popen()函数首先调用一个shell，然后把command作为参数传递给shell。这样每次调用popen()函数都需要启动两个进程；但是由于在Linux中，所有的参数扩展(parameter expansion)都是由shell执行的，这样command中包含的所有参数扩展都可以在command程序启动之前完成。
(2)pipe()函数:
#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);
popen()函数只能返回一个管道描述符，并且返回的是文件流(file stream)，可以使用函数fread()和fwrite()来访问。pipe()函数可以返回两个管道描述符:pipefd[0]和pipefd[1]，任何写入pipefd[1]的数据都可以从pipefd[0]读回；pipe()函数返回的是文件描述符(file descriptor)，因此只能使用底层的read()和write()系统调用来访问。pipe()函数通常用来实现父子进程之间的通信。
(3)命名管道:FIFO
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *fifo_name, mode_t mode);
前面两种管道只能用在相关的程序之间，使用命名管道可以解决这个问题。在使用open()打开FIFO时，mode中不能包含O_RDWR。mode最常用的是O_RDONLY，O_WRONLY与O_NONBLOCK的组合。O_NONBLOCK影响了read()和write()在FIFO上的执行方式。
PS:要想查看库函数用法，最可靠的资料来自Linux manual page:
$sudo apt-get install manpages-dev
$man 3 function_name
System V IPC
System V IPC指的是AT&T在System V.2发行版中引入的三种进程间通信工具:(1)信号量，用来管理对共享资源的访问 (2)共享内存，用来高效地实现进程间的数据共享 (3)消息队列，用来实现进程间数据的传递。我们把这三种工具统称为System V IPC的对象，每个对象都具有一个唯一的IPC标识符(identifier)。要保证不同的进程能够获取同一个IPC对象，必须提供一个IPC关键字(IPC key)，内核负责把IPC关键字转换成IPC标识符。
System V IPC具有相似的语法，一般操作如下:
(1)选择IPC关键字，可以使用如下三种方式:
a)IPC_PRIVATE。由内核负责选择一个关键字然后生成一个IPC对象并把IPC标识符直接传递给另一个进程。
b)直接选择一个关键字。
c)使用ftok()函数生成一个关键字。
(2)使用semget()/shmget()/msgget()函数根据IPC关键字key和一个标志flag创建或访问IPC对象。如果key是IPC_PRIVATE;或者key尚未与已经存在的IPC对象相关联且flag中包含IPC_CREAT标志，那么就会创建一个全新的IPC对象。
(3)使用semctl()/shmctl()/msgctl()函数修改IPC对象的属性。
(4)使用semctl()/shmctl()/msgctl()函数和IPC_RMID标志销毁IPC实例。
System V IPC为每个IPC对象设置了一个ipc_perm结构体并在创建IPC对象的时候进行初始化。这个结构体中定义了IPC对象的访问权限和所有者:
struct ipc_perm{
uid_t uid; //所有者的用户id
gid_t gid; //所有者的组id
uid_t cuid; //创建者的用户id
gid_t cgid; //创建者的组id
mode_t mode; //访问模式
…
};
shell中管理IPC对象的命令是ipcs、ipcmk和ipcrm。
1、信号量(Semaphores)
System V的信号量集表示的是一个或多个信号量的集合。内核为每个信号量集维护一个semid_ds数据结构，而信号量集中的每个信号量使用一个无名结构体表示，这个结构体至少包含以下成员:
struct{
unsigned short semval;//信号量值，总是>=0
pid_t sempid; //上一次操作的pid
…
};
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
(1)创建或访问信号量
* int semget(key_t key,int nsems,int flag);
nsems指定信号量集中信号量的个数，如果只是获取信号量集的标识符(而非新建)，那么nsems可以为0。flag的低9位作为信号量的访问权限位，类似于文件的访问权限;如果flag中同时指定了IPC_CREAT和IPC_EXCL，那么如果key已与现存IPC对象想关联的话，函数将会返回EEXIST错误。例如，flag可以为IPC_CREAT|0666。
(2)控制信号量集
* int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semun arg);
对semid信号量集合执行cmd操作;cmd常用的两个值是:SETVAL初始化第semnum个信号量的值为arg.val;IPC_RMID删除信号量。
(3)对一个或多个信号量进行操作
* int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);
* struct sembuf{
unsigned short sem_num; //信号量索引
short sem_op; //对信号量进行的操作，常用的两个值为-1和+1，分别代表P、V操作
short sem_flag; //比较重要的值是SEM_UNDO:当进程结束时，相应的操作将被取消；同时，如果进程结束时没有释放资源的话，系统会自动释放
};
2、共享内存
共享内存允许两个或多个进程共享一定的存储区，因为不需要拷贝数据，所以这是最快的一种IPC。
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
(1)创建或访问共享内存
* int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);
(2)附加共享内存到进程的地址空间
* void *shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);//shmaddr通常为NULL，由系统选择共享内存附加的地址;shmflg可以为SHM_RDONLY
(3)从进程的地址空间分离共享内存
* int shmdt(const void *shmaddr); //shmaddr是shmat()函数的返回值
(4)控制共享内存
* int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
* struct shmid_ds{
struct ipc_perm shm_perm;
…
};
cmd的常用取值有:(a)IPC_STAT获取当前共享内存的shmid_ds结构并保存在buf中(2)IPC_SET使用buf中的值设置当前共享内存的shmid_ds结构(3)IPC_RMID删除当前共享内存
3、消息队列
消息队列保存在内核中，是一个由消息组成的链表。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
(1)创建或访问消息队列
* int msgget(key_t key,int msgflg);
(2)操作消息队列
* int msgsnd(int msqid,const void *msg,size_t nbytes,int msgflg);
msg指向的结构体必须以一个long int成员开头，作为msgrcv()的消息类型，必须大于0。nbytes指的是msg指向结构体的大小，但不包括long int部分的大小
* ssize_t msgrcv(int msqid,void *msg,size_t nbytes,long msgtype,int msgflg);
如果msgtype是0，就返回消息队列中的第一个消息;如果是正整数，就返回队列中的第一个该类型的消息;如果是负数，就返回队列中具有最小值的第一个消息，并且该最小值要小于等于msgtype的绝对值。
(3)控制消息队列
* int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);
* struct msqid_ds{
struct ipc_perm msg_perm;
…
};
Socket
套接字(Socket)是由Berkeley在BSD系统中引入的一种基于连接的IPC，是对网络接口(硬件)和网络协议(软件)的抽象。它既解决了无名管道只能在相关进程间单向通信的问题，又解决了网络上不同主机之间无法通信的问题。
套接字有三个属性:域(domain)、类型(type)和协议(protocol)，对应于不同的域，套接字还有一个地址(address)来作为它的名字。
域(domain)指定了套接字通信所用到的协议族，最常用的域是AF_INET，代表网络套接字，底层协议是IP协议。对于网络套接字，由于服务器端有可能会提供多种服务，客户端需要使用IP端口号来指定特定的服务。AF_UNIX代表本地套接字，使用Unix/Linux文件系统实现。
IP协议提供了两种通信手段:流(streams)和数据报(datagrams)，对应的套接字类型(type)分别为流式套接字和数据报套接字。流式套接字(SOCK_STREAM)用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字使用TCP协议。数据报套接字(SOCK_DGRAM)提供了一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP协议。
一种类型的套接字可能可以使用多于一种的协议来实现，套接字的协议(protocol)属性用于指定一种特定的协议。
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(1) 创建套接字
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对于SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM而言，分别只有一种协议支持这种类型的套接字。因此protocol可以为0，表示默认的协议。
每种套接字域都有一种对应的套接字地址。对于AF_UNIX和AF_INET，套接字地址分别为sockaddr_un和sockaddr_in，位于<sys/un.h>和<sys/in.h>中:
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(2) 命名套接字
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(3) 监听套接字
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(4) 等待接受连接
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当客户端程序尝试连接sockfd套接字时，accept返回一个新的套接字与客户端进行通信。如果addr不是NULL，那么客户端的地址将会保存在addr所指向的结构体中；调用accept()前必须先将addrlen初始化为addr所指向结构体的大小，accept()返回以后,addrlen将会被设置成客户端套接字地址结构体的实际大小。然后，通过对accept()返回的套接字执行read()和write()操作即可实现与客户端的简单的通信。
(5) 建立连接(客户端)
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connect()在无名套接字sockfd和addr之间建立连接。addr指向的结构体中可以包含服务器的IP地址和端口号等信息。
(6) 数据传输
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(7) 关闭套接字
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(8) 主机字节序和网络字节序的转换
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long型函数用来转换sockaddr_in.in_addr.s_addr；short型函数用来转换sockaddr_in.sin_port。
System V IPC API
1,消息队列 链接
int ftok(const char *pathname, int prj_id);
int msgget(key_t key,int msgflag);
int msgsnd(int msqid,const void *msgp,size_t msgsz,int msgflg);
int msgrcv(int msqid,void *msgp,size_t msgsz,long msgtyp,int msgflg);
2,信号量 链接
int semget(key_t key,int nsems,int semflag);
int semctl(int semid,int semnum,int cmd,…);
int semop(int semid,struct sembuf *sops,unsigned nsops,struct timespec *timeout);
3,共享内存 链接
int shmget(key_t key,size_t size,int shmflag);
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
POSIX IPC API
1,消息队列 链接
#include <mqueue.h>
mqd_t mq_open (const char *name, int oflag, .../*mode_t mode ,struct mq_attr_t *attr */);
int mq_close (mqd_t mqdes);
int mq_unlink (const char *name);//name索引的文件的目录项链接stat.nlink减1；
int mq_getattr (mqd_t mqdes, struct mq_attr * mqstat);
int mq_setattr (mqd_t __mqdes, const struct mq_attr * restrict mqstat, struct mq_attr * restrict omqstat);
ssize_t mq_receive (mqd_t mqdes, char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned int *msg_prio) ;
int mq_send (mqd_t mqdes, const char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned int msg_prio) ;
2,信号量 链接
sem_t * sem_open(const char * name,int oflag,mode_t mode,unsigned int value);
int sem_close(sem_t * sem)
int sem_close(const char *name)
int sem_wait(sem_t *sem),int sem_trywait(sem_t *sem)
int sem_getvalue(sem_t *sem,int *valp)int sem_post(sem_t *sem)
3,共享内存 链接
第一种：
#include<sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t len, int port, int flags, int fd, off_t offset);
第二种：
#include<sys/mman.h>
int shm_open(const char* name, int oflag, mode_t mode);
int shm_unlink(const *name);
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- ------ Shared Memory Segments --------
- key shmid owner perms bytes nattch status
- 0x00000000 65536 root 600 393216 2 dest
- 0x00000000 98305 root 600 393216 2 dest
- 0x00000000 131074 root 600 393216 2 dest
- 0x00000000 163843 root 600 393216 2 dest
- 0x00000000 196612 root 600 393216 2 dest
- 0x00000000 229381 root 600 393216 2 dest
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- 0x00000000 327688 root 600 393216 2 dest
- 0x00000000 360457 root 600 393216 2 dest
- 0x00000000 393226 root 600 393216 2 dest
- ------ Semaphore Arrays --------
- key semid owner perms nsems
- ------ Message Queues --------
- key msqid owner perms used-bytes messages
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