04 Linux编程-进程间通信

最新推荐文章于 2025-08-06 16:55:17 发布

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1、IPC

一般进程间交换信息的方法只能是经由fork或exec传送打开文件，或者通过文件系统。但是与之不同的是，可以通过IPC（InterProcess Communication）技术来实现进程之间的相互通信。

IPC类型：

（1）半双工管道

（2）FIFO

（3）全双工管道

（4）命名全双工管道

（5）消息队列

（6）信号量

（7）共享存储

（8）套接字

（9）STREAMS

其中Socket和Streams支持不同主机的两个进程IPC。

2、半双工管道

因为是半双工的，所以数据只能在一个方向上流动，并且管道中的数据读走就没有了，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（父子进程或者兄弟进程）。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。管道建立之后是存在于内核之中的。

//管道建立
#include <unistd.h>

//函数原型
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。
//要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
	int fd[2];  // 创建一个数组存放两个文件描述符
    int pid;
	char buf[128];
	
	if(pipe(fd) == -1){
		printf("creat pipe failed\n");
	}
	pid = fork();
	
	if(pid < 0){
		printf("creat child failed\n");
	}
	else if(pid > 0){	//父进程
		printf("this is father\n");
		close(fd[0]);	//关闭读端
		write(fd[1], "hello go", strlen("hello go"));	//写数据
		wait();	//等待子进程退出
	}
	else{	//子进程
		printf("this is child\n");
		close(fd[1]);	//关闭写端
		read(fd[0], buf, 128);	//读数据，read函数在读取的时候，如果此时没有数据会阻塞进程
		printf("read from father:%s\n", buf);
		exit(0);
	}
 
    return 0;
}

3、FIFO（命名管道）

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。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。

#include <sys/stat.h>

//函数原型
    // 返回值：成功返回0，出错返回-1
    //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。

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

#读取管道中的文件
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <error.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
	char buf[30] = {0};
	
	if((mkfifo("./file", 0600) == -1) && error != EEXIST){
		printf("mkfifo failed\n");
		perror("why");
	}
	
	int fd = open("./file", O_RDONLY);
	printf("open success\n");
	
	int nread = read(fd, buf, 30);
	printf("read %d byte from fifo, context: %s\n", nread, buf);
 
	close(fd);
	
	
    return 0;
}

#写文件
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <error.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
	char *str = "hello go";
	
	int fd = open("./file", O_WRONLY);
	printf("write open success\n");
	
	write(fd, str, strlen(str));
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

4、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。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。

#include <sys/msg.h>

//函数原型
// 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。

//demo_msgSend.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string,h>


struct msgbuf{
	long mtype;			//消息类型
	char mtext[128];	//消息数据
}

int main()
{
	struct msgbuf sendBuf = {888, "this is message from quen"};
	key_t key;
	key = ftok(".", 'z');	//使用ftok函数获取键值
	printf("key = %x\n", key);
	int msgid= msgget(key, IPC_CREAT|0777);	//创建一个队列并给个权限
	if(msgid == -1){
		printf("create msg failed\n");
	}
	
	msgsnd(msgid, &sendBuf, sizeof(sendBuf.mtext), 0);	//最后一个参数0代表以非阻塞的形式发送
	
	msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);	//用完之后把这个消息队列删了，防止占用内核
	
	return 0;
}

//demo_msgGet.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>


struct msgbuf{
	long mtype;			//消息类型
	char mtext[128];	//消息数据
}

int main()
{
	struct msgbuf readBuf;
	
	key_t key;
	key = ftok(".", 'z');	//使用ftok函数获取键值
	printf("key = %x\n", key);
	int msgid= msgget(key, IPC_CREAT|0777);	//创建一个队列并给个权限
	if(msgid == -1){
		printf("create msg failed\n");
	}
	
	msgrcv(msgid, &readBuf, sizeof(readBuf.mtext), 888, 0);
	printf("read from que:%s\n", readBuf.mtext);
	
	msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);	//用完之后把这个消息队列删了，防止占用内核
	
	return 0;
}

5、共享内存

共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。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。

#include <sys/shm.h>

//函数原型

// 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）。

//demo_shareMemory_write.c
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int shmid;
	char *shmaddr;
	key_t key;
	key = ftok(".", 1);
	
	shmid = shmget(key, 1024*4, IPC_CREAT|0666);	//创建共享内存，共享内存是以M为单位的
	if(shmid == -1){
		printf("share memory creat failed\n");
		exit(-1);
	}
	
	shmaddr = shmat(shmid, 0, 0);	//映射内存
	
	printf("shmat OK\n");
	strcpy(shmaddr, "hello go");	//给共享内存中写东西
	
	sleep(5);
	shmdt(shmaddr);		//断开与共享内存的连接
	
	shmctr(shmid, IPC_RMID, 0);		//卸载共享内存
	
	printf("quit\n");
	
	return 0;
}

//demo_shareMemory_read.c
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
	int shmid;
	char *shmaddr;
	key_t key;
	key = ftok(".", 1);
	
	shmid = shmget(key, 1024*4, 0);	//创建共享内存，共享内存是以M为单位的
	if(shmid == -1){
		printf("share memory creat failed\n");
		exit(-1);
	}
	
	shmaddr = shmat(shmid, 0, 0);	//映射内存
	
	printf("shmat OK\n");
	printf("data: %s\n", shmaddr);	//读取共享内存中的数据
	
	shmdt(shmaddr);		//断开与共享内存的连接
	
	printf("quit\n");
	
	return 0;
}

用系统指令可以来查看当先系统中的共享内存或者删除某个共享内存。

#查看共享内存
ipcs -m
#删除某个共享内存
ipcrm -m shmid

6、信号

对于 Linux来说，实际信号是软中断，许多重要的程序都需要处理信号。信号，为 Linux 提供了一种处理异步事件的方法。比如，终端用户输入了 ctrl+c 来中断程序，会通过信号机制停止一个程序。

每个信号都有一个名字和编号，这些名字都以“SIG”开头，例如“SIGIO ”、“SIGCHLD”等等。信号定义在signal.h头文件中，信号名都定义为正整数。具体的信号名称可以使用kill -l来查看信号的名字以及序号，信号是从1开始编号的，不存在0号信号。kill对于信号0又特殊的应用。

信号处理注册函数入门版：signal

#include <signal.h>

//函数原型
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>

void handler(int signum)
{
	printf("get signum = %d\n", signum);
	switch(signum){
		case 2:
			printf("SIGINT\n");
		case 9:
			printf("SIGKILL\n");
		case 10:
			printf("SIGUSR1\n");
		}
	printf("never quit\n");
}

int main()
{
	signal(SIGINT, handler);
	signal(SIGKILL, handler);
	signal(SIGUSR1, handler);
	
	while(1);
	
	return 0;
}

信号处理发送函数入门版：kill

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>

//函数原型
int kill(pid_t pid, int sig);

#include <signal.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	int signum;
	int pid;
	
	signum = atoi(argv[1]);	//atoi，ASCLL转换到int
	pid = atoi(argv[2]);
	
	printf("num = %d, pid = %d\n", signum, pid);
	
	kill(pid, signum);
	printf("send signal ok\n");
	
	return 0;
}

在信号注册入门版的函数中完成了基本的信号的收发，高级版的出现是为了让信号在传输的过程中可以携带一些数据。

信号处理注册函数高级版：sigaction

#include <signal.h>

//函数原型
    //第一个参数signum是注册的信号的编号；
    //第二个参数act如果不为空说明需要对该信号有新的配置；
    //第三个参数oldact如果不为空，那么可以对之前的信号配置进行备份，以方便之后进行恢复。
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);

struct sigaction {
   void       (*sa_handler)(int); //信号处理程序，不接受额外数据，SIG_IGN 为忽略，SIG_DFL 为默认动作
   void       (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *); //信号处理程序，能够接受额外数据和sigqueue配合使用
   sigset_t   sa_mask;//阻塞关键字的信号集，可以再调用捕捉函数之前，把信号添加到信号阻塞字，信号捕捉函数返回之前恢复为原先的值。
   int        sa_flags;//影响信号的行为SA_SIGINFO表示能够接受数据
 };
//回调函数句柄sa_handler、sa_sigaction只能任选其一

当对某一个信号设置了指定的动作的时候，那么，直到再次显式调用 sigaction并改变动作之前都会一直有效。

关于结构体中的 flag 属性的详细配置，如果设置为 SA_SIGINFO 属性时，说明了信号处理程序带有附加信息，也就是会调用 sa_sigaction 这个函数指针所指向的信号处理函数。否则，系统会默认使用 sa_handler 所指向的信号处理函数。在此，还要特别说明一下，sa_sigaction 和 sa_handler 使用的是同一块内存空间，相当于 union，所以只能设置其中的一个，不能两个都同时设置。

关于void (*sa_sigaction)(int, siginfo_t *, void *);处理函数，void* 是接收到信号所携带的额外数据；而struct siginfo这个结构体主要适用于记录接收信号的一些相关信息。

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

void handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
{
	printf("get signum %d\n", signum);
	
	if(context != NULL){
		printf("get data = %d\n", info->si_int);
		prinff("get data = %d\n", info->si_value.sival_int);
		prinff("from: %d\n", info->si_pid);
	}
}

int main()
{
	struct sigaction act;
	
	act.sa_sigaction = handler;
	act.sa_flags = SA_SIGINFO;	//be able to get message
	
	sigaction(SIGUSR1, &act, NULL);
	while(1);
	
	return 0;
}

信号发送函数高级版：sigqueue

#include <signal.h>

//函数原型
int sigqueue(pid_t pid, int sig, const union sigval value);
union sigval {
   int   sival_int;
   void *sival_ptr;
 };

//使用这个函数之前，必须要有几个操作需要完成
    //使用 sigaction 函数安装信号处理程序时，制定了 SA_SIGINFO 的标志。
    //sigaction 结构体中的 sa_sigaction 成员提供了信号捕捉函数。如果实现的是 sa_handler 成员，那么将无法获取额外携带的数据。

sigqueue 函数只能把信号发送给单个进程，可以使用 value 参数向信号处理程序传递整数值或者指针值。

sigqueue 函数不但可以发送额外的数据，还可以让信号进行排队（操作系统必须实现了 POSIX.1的实时扩展），对于设置了阻塞的信号，使用 sigqueue 发送多个同一信号，在解除阻塞时，接受者会接收到发送的信号队列中的信号，而不是直接收到一次。但是，信号不能无限的排队，信号排队的最大值受到SIGQUEUE_MAX的限制，达到最大限制后，sigqueue 会失败，errno 会被设置为 EAGAIN。

#include <signal.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	int signum;
	int pid;
	
	signum = atoi(argv[1]);
	pid = atoi(argv[2]);
	
	union sigval value;
	value.sival_int = 100;
	
	sigqueue(pid, signum, value);
	printf("%d,done\n", getpid());
	
	return 0;
}

7、信号量

信号量是一个计数器，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。

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。

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>

//函数原型
// 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
}

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

union semun {
	int val;					//Value for SETVAl
	struct semid_ds *buf;		//Buffer for IPC_STAT, IPC_SET
	unsigned short *array;		//Array for GETALL, SETALL
	struct seminfo *__buf;		//Buffer for IPC_INFO
}

void pGetKey(int id)
{
	struct sembuf set;
	set.sem_num = 0;
	set.sem_op = -1;
	set.sem_flg = SEM_UNDO;
	
	semop(id, &set, 1);
	printf("getkey\n");
}

void vPutBackKey(int id)
{
	struct sembuf set;
	set.sem_num = 0;
	set.sem_op = 1;
	set.sem_flg = SEM_UNDO;
	
	semop(id, &set, 1);
	printf("putBackKey\n");
}

int main()
{
	key_t key;
	int semid;
	key = ftok(".", 2);
	
	//创建信号量,1代表信号量集合中有一个信号量
	semid = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666);
	
	union semun	initsem;
	initsem.val = 0;
	//对信号量进行初始化，操作第0个信号量，SETVAl设置信号量的值，设置为initsem
	semctl(semid, 0, SETVAl, initsem);
	
	int pid = fork();	//创建一个子进程
	if(pid > 0){	//父进程
		pGetKey(semid);		//去拿锁
		printf("this is father\n");
		vPutBackKey(semid);	//去放锁
	}
	else if(pid == 0){	//子进程
		
		printf("this is child\n");
		vPutBackKey(semid);	//去放锁
	}
	else{
		printf("fork error\n");
	}
	
	return 0;
}