面試必備 進程間的五種通信方式
進程間通信(IPC，Inter-Process Communication)是指在不同進程間傳播或交換信息。
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。
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
- 半雙工(數據流向僅有一個方向)，具有固定的讀端和寫端
- 只能用于父進程或兄弟線程之間通信(具有血緣關系的線程之間)
- 一種特殊文件，可以用普通的read、write函數進行讀寫，但又不是普通文件，不屬于任何其它文件系統，僅存在于內存之中
2. 原型
- #include <unistd.h>
- 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(chuàng)建兩個文件描述符：fd[0]為讀而打開，fd[1]為寫而打開。要關閉管道只需要關閉這兩個文件描述符即可。如下圖：
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 的進程接著調用 fork，這樣就創(chuàng)建了父進程與子進程之間的 IPC 通道。如下圖所示：
fork之后的半雙工管道
從父進程到子進程之間的管道
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。
- #include<stdio.h>
- #include<unistd.h>
- int main()
- {
- int fd[2]; // 兩個文件描述符
- pid_t pid;
- char buff[20];
- if(pipe(fd) < 0) // 創(chuàng)建管道
- printf("Create Pipe Error!\n");
- if((pid = fork()) < 0) // 創(chuàng)建子進程
- printf("Fork Error!\n");
- else if(pid > 0) // 父進程
- {
- close(fd[0]); // 關閉讀端
- write(fd[1], "hello world\n", 12);
- }
- else
- {
- close(fd[1]); // 關閉寫端
- read(fd[0], buff, 20);
- printf("%s", buff);
- }
- return 0;
- }
二、命名管道(FIFO)
FIFO，也稱為命名管道，它是一種文件類型。
1. 特點
- 與無名管道不同，命名管道可以在無關進程間通信
- FIFO以一種特殊設備文件形式存在于文件系統中，有路徑名與之關聯
2. 原型
- #include <sys/stat.h>
- int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); // 返回值：成功返回0，出錯返回-1
其中的 mode 參數與下文中open函數中的 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()); // 說明進程ID
- //當 open 一個FIFO時，是否設置非阻塞標志（O_NONBLOCK）的區(qū)別：
- //若沒有指定O_NONBLOCK（默認），只讀 open 要阻塞到某個其他進程為寫而打開此 FIFO。類似的，只寫 open 要阻塞到某個其他進程為讀而打開它。
- 若指定了O_NONBLOCK，則只讀 open 立即返回。而只寫 open 將出錯返回 -1 如果沒有進程已經為讀而打開該 FIFO，其errno置ENXIO。
- if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以寫打開一個FIFO
- {
- perror("Open FIFO Failed");
- exit(1);
- }
- for(i=0; i<10; ++i)
- {
- time(&tp); // 取系統當前時間
- 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) // 寫入到FIFO中
- {
- perror("Write FIFO Failed");
- close(fd);
- exit(1);
- }
- sleep(1); // 休眠1秒
- }
- close(fd); // 關閉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) // 創(chuàng)建FIFO管道
- perror("Create FIFO Failed");
- if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0) // 以讀打開FIFO
- {
- perror("Open FIFO Failed");
- exit(1);
- }
- while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 讀取FIFO管道
- printf("Read message: %s", buf);
- close(fd); // 關閉FIFO文件
- return 0;
- }
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
- 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(yōu)先級
- 消息隊列獨立于發(fā)送與接收進程。進程終止時，消息隊列及其內容并不會被刪除
- 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
- #include <sys/msg.h>
- // 創(chuàng)建或打開消息隊列：成功返回隊列ID，失敗返回-1
- int msgget(key_t key, int flag);
- // 添加消息：成功返回0，失敗返回-1
- int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
- // 讀取消息：成功返回消息數據的長度，失敗返回-1
- int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
- // 控制消息隊列：成功返回0，失敗返回-1
- int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
在以下兩種情況下，msgget將創(chuàng)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，并且flag中包含了IPC_CREAT標志位。
- key參數為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為 type 的第一個消息;
- type < 0，返回隊列中消息類型值小于或等于 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 時用于以非先進先出次序讀消息。也可以把 type 看做優(yōu)先級的權值。
3. 例子
msg_server：
- #include <stdio.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <sys/msg.h>
- // 用于創(chuàng)建一個唯一的key
- #define MSG_FILE "/etc/passwd"
- // 消息結構
- struct msg_form {
- long mtype;
- char mtext[256];
- };
- int main()
- {
- int msqid;
- key_t key;
- struct msg_form msg;
- // 獲取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);
- // 創(chuàng)建消息隊列
- if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
- {
- perror("msgget error");
- exit(1);
- }
- // 打印消息隊列ID及進程ID
- printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
- printf("My pid is: %d.\n", getpid());
- // 循環(huán)讀取消息
- for(;;)
- {
- msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回類型為888的第一個消息
- printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
- printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);
- msg.mtype = 999; // 客戶端接收的消息類型
- 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>
- // 用于創(chuàng)建一個唯一的key
- #define MSG_FILE "/etc/passwd"
- // 消息結構
- struct msg_form {
- long mtype;
- char mtext[256];
- };
- int main()
- {
- int msqid;
- key_t key;
- struct msg_form msg;
- // 獲取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);
- // 打開消息隊列
- if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
- {
- perror("msgget error");
- exit(1);
- }
- // 打印消息隊列ID及進程ID
- printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
- printf("My pid is: %d.\n", getpid());
- // 添加消息，類型為888
- msg.mtype = 888;
- sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid());
- msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
- // 讀取類型為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。信號量用于實現進程間的互斥與同步，而不是用于存儲進程間通信數據。
1. 特點
- 信號量用于進程間同步，若要在進程間傳遞數據需要結合共享內存
- 信號量基于操作系統的 PV 操作，程序對信號量的操作都是原子操作
- 每次對信號量的 PV 操作不僅限于對信號量值加 1 或減 1，而且可以加減任意正整數
- 支持信號量組
2. 原型
最簡單的信號量是只能取 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為通用信號量。
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。
- #include <sys/sem.h>
- // 創(chuàng)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
- int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
- // 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
- int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);
- // 控制信號量的相關信息
- int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);
當semget創(chuàng)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)，通常為1; 如果是引用一個現有的集合，則將num_sems指定為 0 。
在semop函數中，sembuf結構的定義如下：
- struct sembuf
- {
- short sem_num; // 信號量組中對應的序號，0～sem_nums-1
- short sem_op; // 信號量值在一次操作中的改變量
- short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
- }
五、共享內存
1. 特點
- 共享內存是最快的一種 IPC，因為進程是直接對內存進行存取
- 因為多個進程可以同時操作，所以需要進行同步
- 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
- #include <sys/shm.h>
- // 創(chuàng)建或獲取一個共享內存：成功返回共享內存ID，失敗返回-1
- int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
- // 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
- void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
- // 斷開與共享內存的連接：成功返回0，失敗返回-1
- int shmdt(void *addr);
- // 控制共享內存的相關信息：成功返回0，失敗返回-1
- int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
當用shmget函數創(chuàng)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 指定為0 。
當一段共享內存被創(chuàng)建以后，它并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，連接成功后把共享內存區(qū)對象映射到調用進程的地址空間，隨后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，這并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(zhí)行多種操作，根據參數 cmd 執(zhí)行相應的操作。常用的是IPC_RMID(從系統中刪除該共享內存)。
