linux 进程间通信 学习笔记

参考

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。

管道

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

特点

1.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。

2.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）。

3.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。

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。如下图：

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

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。

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


#define MAX_MSG_SIZE 1024

int main(int argc, char** argv)
{
    pid_t pid = -1;
    int pipefd[2] = {0};
   
    /**
     * 创建的一个pipe会有两个文件描述符，pipefd[0]是读取数据的，pipefd[1]是写入数据的。
     */
    if (0 != pipe(pipefd))
    {
        printf("create pipe failed with errno = %d.\n", errno);
        return 0;
    }
    
    pid = fork();

    if (pid < 0)
    {
        printf("call fork failed.\n");
    }
    /**
     * 这是父进程，如果我们要测试子进程发送数据给父进程，则父进程需要关闭写入端（pipefd[1]），
     * 而子进程需要关闭读取端(pipefd[0])
     */
    else if (pid > 0) // this is parent process
    {
        char msg[MAX_MSG_SIZE] = {0};
        close(pipefd[1]);
        read(pipefd[0], msg, MAX_MSG_SIZE);
        printf("we recved : %s.\n", msg);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        char* wmsg = "hello verybody!!!";
        close(pipefd[0]);
        write(pipefd[1], wmsg, strlen(wmsg));
    }

    printf("fuck, game over! pid=%d\n", getpid());

    return 0;
}

执行结果

root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test/ipc# ./pipe
fuck, game over! pid=14921
we recved : hello verybody!!!.
fuck, game over! pid=14920

FIFO

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

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。

原型

#include <sys/stat.h>
// 返回值：成功返回0，出错返回-1
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。

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：
fifo_read.c

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define FIFO_FILE_PATH  "/tmp/fifo_test"
#define MAX_FIFO_MSG_SIZE  1024


int main(int argc, char** argv)
{
    if (-1 == access(FIFO_FILE_PATH, F_OK))
    {
        printf("fifo file is not exist, and try to create fifo file.\n");
    }
    
    int fd = open(FIFO_FILE_PATH, O_RDONLY);
    char buffer[MAX_FIFO_MSG_SIZE] = {0};
    int len = read(fd, buffer, MAX_FIFO_MSG_SIZE);
    if ( len <= 0 )
    {
        printf("read fifo file return nothing.\n");
        return -1;
    }

    printf("read msg result is : %s.\n", buffer);

    return 0;
}

fifo_write.c

#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define FIFO_FILE_PATH  "/tmp/fifo_test"


int main(int argc, char** argv)
{

    if (-1 == access(FIFO_FILE_PATH, F_OK))
    {
        printf("fifo file is not exist, and try to create fifo file.\n");
        if (0 != mkfifo(FIFO_FILE_PATH, 0777))
        {
            printf("create fifo file failed with error : %s\n", strerror(errno));
            return -1;
        }
    }

    /*
     *  以只写方式打开FIFO文件，不能以读写方式打开FIFO，当然我们也可以设置为O_WRONLY | O_NONBLOCK，那么此时是
     *  以非阻塞的方式打开文件，对于非阻塞，我们讲网络编程的时候会讲到
     */
    int fd = open(FIFO_FILE_PATH, O_WRONLY);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open fifo file failed.\n");
        return -1;
    }

    char* msg = "sexy lady, what's your LINE number.\n";
    int len = strlen(msg);
    if( write(fd, msg, len) < len)
    {
        printf("only write ");
    }

    for(;;);

    return 0;
}

运行结果：

root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test/ipc# ./fifo_write

root@iZbp1anc6yju2dks3nw5j0Z:~/test/ipc# ./fifo_read
read msg result is : sexy lady, what's your LINE number.

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：

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。

特点
1.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。

2.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。

3.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。
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。

例子

下面写了一个简单的使用消息队列进行IPC的例子，服务端程序一直在等待特定类型的消息，当收到该类型的消息以后，发送另一种特定类型的消息作为反馈，客户端读取该反馈并打印出来。
msg_server.c

#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.c

#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;
}

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。

特点
1.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。
2.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。

3.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。

4.支持信号量组。
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
}

其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量：

若sem_op > 0，表示进程释放相应的资源数，将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量，则换行它们。
若sem_op < 0，请求 sem_op 的绝对值的资源。
- 如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。
- 当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。
  - sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。
  - sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
    - 当相应的资源数可以满足请求，此信号量的semncnt值减1，该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回；
    - 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
    - 进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，此情况下将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：
- 当信号量已经为0，函数立即返回。
- 如果信号量的值不为0，则依据sem_flg决定函数动作：
  - sem_flg指定IPC_NOWAIT，则出错返回EAGAIN。
  - sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
    - 信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
    - 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
    - 进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR

在semctl函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：

ETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
IPC_RMID：删除一个信号量集合。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。

例子

sem_data.h

#ifndef MUTIPROCESS_SHM_DATA_H__
#define MUTIPROCESS_SHM_DATA_H__


#define MAX_MSG_SIZE  1024
#define SHARED_BUFFER_KEY 1234
#define SEM_KEY   5678

struct shared_buffer_t
{
    int written;  /* 标志，0 ： 可写， 非0：可读 */
    char buffer[MAX_MSG_SIZE];
};


union semun
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *arry;
};


#endif

//sem_read.cpp
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>

#include "sem_data.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    int shared_buffer_id = shmget(SHARED_BUFFER_KEY, sizeof(shared_buffer_t), 0666 | IPC_CREAT);
    if (shared_buffer_id == -1)
    {
        printf("create shared buffer failed with error = %s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 将创建的共享内存映射到当前进程的地址空间 */
    void *shared_buffer_ptr = shmat(shared_buffer_id, (void *)0, 0);
    if ((void *)-1 == shared_buffer_ptr)
    {
        printf("attaches shared buffer failed with error=%s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    shared_buffer_t *shared = (shared_buffer_t *)shared_buffer_ptr;
    /* 通知对端，我已经可以读数据了，你现在可以写入数据了 */
    //创建信号量
    int sem_id = semget(SEM_KEY, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if (sem_id == -1)
    {
        printf("create sem failed with error=%s.", strerror(errno));
        return -1;
    }

    //初始化信号量
    union semun sem_union;
    sem_union.val = 0;
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    {
        printf("init sem failed with error=%s.", strerror(errno));
        // 删除信号量
        semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union);
        return -1;
    }

    int index = 0;

    while (1)
    {
        // 等待信号量
        struct sembuf sem_buffer;
        sem_buffer.sem_num = 0;
        sem_buffer.sem_op = -1;
        sem_buffer.sem_flg = SEM_UNDO;
        if (semop(sem_id, &sem_buffer, 1) == -1)
        {
            printf("wait sem failed with error=%s.\n", strerror(errno));
            return -1;
        }

        // 如果非0，则可以读取内容
        if (0 != shared->written)
        {
            char msg[MAX_MSG_SIZE] = {0};
            strcpy(msg, shared->buffer);
            shared->written = 0;
            printf("recved content is : %s, index = %d.\n", msg, index);
            index++;
            shared->written = 0;
        }

        // 发送信号量，离开临界区
        sem_buffer.sem_op = 1;
        if (semop(sem_id, &sem_buffer, 1) == -1)
        {
            printf("leave sem failed with error=%s\n", strerror(errno));
            return -1;
        }
    }

    //把共享内存从当前进程中分离
    if (shmdt(shared_buffer_ptr) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "dettaches shared buffer failed.\n");
        return -1;
    }

    //删除共享内存
    if (shmctl(shared_buffer_id, IPC_RMID, 0) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "remove shared buffer failed.\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

//sem_write.cpp
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>

#include "sem_data.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    int shared_buffer_id = shmget(SHARED_BUFFER_KEY, sizeof(shared_buffer_t), 0666 | IPC_CREAT);
    if (shared_buffer_id == -1)
    {
        printf("create shared buffer failed with error = %s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 将创建的共享内存映射到当前进程的地址空间 */
    void *shared_buffer_ptr = shmat(shared_buffer_id, (void *)0, 0);
    if ((void *)-1 == shared_buffer_ptr)
    {
        printf("attaches shared buffer failed with error=%s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    //创建信号量
    int sem_id = semget(SEM_KEY, 1, 0666 | IPC_CREAT);
    if (sem_id == -1)
    {
        printf("create sem failed with error=%s.", strerror(errno));
        return -1;
    }

    //初始化信号量
    semun sem_union;
    sem_union.val = 1;
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)
    {
        printf("init sem failed with error=%s.", strerror(errno));
        // 删除信号量
        semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union);
        return -1;
    }

    pid_t pid = 0;
    // 开启多个进程
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        pid_t pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            break;
        }
    }

    // 父进程
    if (pid > 0)
    {
        for (;;)
            ;
    }

    while (1)
    {
        //等待信号量, 即执行P操作
        struct sembuf sem_buffer;
        sem_buffer.sem_num = 0;
        sem_buffer.sem_op = -1;
        sem_buffer.sem_flg = SEM_UNDO;
        if (semop(sem_id, &sem_buffer, 1) == -1)
        {
            printf("wait sem failed with error=%s.\n", strerror(errno));
            return -1;
        }

        shared_buffer_t *shared = (shared_buffer_t *)shared_buffer_ptr;
        char *msg = "lee ge stay alone, please contact me with my LINE : leege.\n";
        strcpy(shared->buffer, msg);

        shared->written = 1;
        // 已经写完，离开临界区
        sem_buffer.sem_op = 1;
        if (semop(sem_id, &sem_buffer, 1) == -1)
        {
            printf("leave sem failed with error=%s\n", strerror(errno));
            return -1;
        }
        usleep(100000); /*100 毫秒*/
    }

    //把共享内存从当前进程中分离
    if (shmdt(shared_buffer_ptr) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "dettaches shared buffer failed.\n");
        return -1;
    }

    //释放信号量
    if (semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)
    {
        printf("release sem failed with error=%s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    return 0;
}

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。

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。
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）。

例子

下面这个例子，使用了【共享内存+信号量+消息队列】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。

共享内存用来传递数据；
信号量用来同步；
消息队列用来在客户端修改了共享内存后通知服务器读取。

//server.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h>  // shared memory
#include<sys/sem.h>  // semaphore
#include<sys/msg.h>  // message queue
#include<string.h>   // memcpy

// 消息队列结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext;
};

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /*for SETVAL*/
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short  *array;
};

// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
    union semun tmp;
    tmp.val = value;
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
    {
        perror("Init Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// P操作:
//  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//  若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
//  释放资源并将信号量值+1
//  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
    union semun tmp;
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
    {
        perror("Delete Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 创建一个信号量集
int creat_sem(key_t key)
{
    int sem_id;
    if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
    {
        perror("semget error");
        exit(-1);
    }
    init_sem(sem_id, 1);  /*初值设为1资源未占用*/
    return sem_id;
}


int main()
{
    key_t key;
    int shmid, semid, msqid;
    char *shm;
    char data[] = "this is server";
    struct shmid_ds buf1;  /*用于删除共享内存*/
    struct msqid_ds buf2;  /*用于删除消息队列*/
    struct msg_form msg;  /*消息队列用于通知对方更新了共享内存*/

    // 获取key值
    if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
    {
        perror("ftok error");
        exit(1);
    }

    // 创建共享内存
    if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1)
    {
        perror("Create Shared Memory Error");
        exit(1);
    }

    // 连接共享内存
    shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
    if((int)shm == -1)
    {
        perror("Attach Shared Memory Error");
        exit(1);
    }


    // 创建消息队列
    if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
    {
        perror("msgget error");
        exit(1);
    }

    // 创建信号量
    semid = creat_sem(key);
    
    // 读数据
    while(1)
    {
        msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0); /*读取类型为888的消息*/
        if(msg.mtext == 'q')  /*quit - 跳出循环*/ 
            break;
        if(msg.mtext == 'r')  /*read - 读共享内存*/
        {
            sem_p(semid);
            printf("%s\n",shm);
            sem_v(semid);
        }
    }

    // 断开连接
    shmdt(shm);

    /*删除共享内存、消息队列、信号量*/
    shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1);
    msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2);
    del_sem(semid);
    return 0;
}

//client.c
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h>  // shared memory
#include<sys/sem.h>  // semaphore
#include<sys/msg.h>  // message queue
#include<string.h>   // memcpy

// 消息队列结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext;
};

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /*for SETVAL*/
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short  *array;
};

// P操作:
//  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//  若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
//  释放资源并将信号量值+1
//  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}


int main()
{
    key_t key;
    int shmid, semid, msqid;
    char *shm;
    struct msg_form msg;
    int flag = 1; /*while循环条件*/

    // 获取key值
    if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
    {
        perror("ftok error");
        exit(1);
    }

    // 获取共享内存
    if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1)
    {
        perror("shmget error");
        exit(1);
    }

    // 连接共享内存
    shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
    if((int)shm == -1)
    {
        perror("Attach Shared Memory Error");
        exit(1);
    }

    // 创建消息队列
    if ((msqid = msgget(key, 0)) == -1)
    {
        perror("msgget error");
        exit(1);
    }

    // 获取信号量
    if((semid = semget(key, 0, 0)) == -1)
    {
        perror("semget error");
        exit(1);
    }
    
    // 写数据
    printf("***************************************\n");
    printf("*                 IPC                 *\n");
    printf("*    Input r to send data to server.  *\n");
    printf("*    Input q to quit.                 *\n");
    printf("***************************************\n");
    
    while(flag)
    {
        char c;
        printf("Please input command: ");
        scanf("%c", &c);
        switch(c)
        {
            case 'r':
                printf("Data to send: ");
                sem_p(semid);  /*访问资源*/
                scanf("%s", shm);
                sem_v(semid);  /*释放资源*/
                /*清空标准输入缓冲区*/
                while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
                msg.mtype = 888;  
                msg.mtext = 'r';  /*发送消息通知服务器读数据*/
                msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
                break;
            case 'q':
                msg.mtype = 888;
                msg.mtext = 'q';
                msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
                flag = 0;
                break;
            default:
                printf("Wrong input!\n");
                /*清空标准输入缓冲区*/
                while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
        }
    }

    // 断开连接
    shmdt(shm);

    return 0;
}

注意：当scanf()输入字符或字符串时，缓冲区中遗留下了n，所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区。但是由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)（它只是标准C的扩展），所以我们使用了替代方案：

while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);

例子

//shm_data.cpp
#ifndef MUTIPROCESS_SHM_DATA_H__
#define MUTIPROCESS_SHM_DATA_H__


#define MAX_MSG_SIZE  1024
#define SHARED_BUFFER_KEY 1234


struct shared_buffer_t
{
    int written;  /* 标志，0 ： 可写， 非0：可读 */
    char buffer[MAX_MSG_SIZE];
};

#endif

//shm_read.cpp
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#include "shm_data.h"


int main(int argc, char** argv)
{
    int shared_buffer_id = shmget(SHARED_BUFFER_KEY, sizeof(shared_buffer_t), 0666 | IPC_CREAT );
    if (shared_buffer_id == -1)
    {
        printf("create shared buffer failed with error = %s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 将创建的共享内存映射到当前进程的地址空间 */
    void* shared_buffer_ptr = shmat(shared_buffer_id, (void*)0, 0);
    if ((void*)-1 == shared_buffer_ptr)
    {
        printf("attaches shared buffer failed with error=%s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    shared_buffer_t* shared = (shared_buffer_t*)shared_buffer_ptr;
    /* 设置共享内存为可写状态 */
    shared->written = 0;
    // 如果工程内存可写，则等待
    while (0 == shared->written)
    {
        sleep(1);
    }

    char msg[MAX_MSG_SIZE] = {0};
    strcpy(msg, shared->buffer);
    shared->written = 0;
    printf("recved content is : %s.\n", msg);

    //把共享内存从当前进程中分离
    if(shmdt(shared_buffer_ptr) == -1)
    {
    fprintf(stderr, "dettaches shared buffer failed.\n");
    return -1;
    }

    //删除共享内存
    if(shmctl(shared_buffer_id, IPC_RMID, 0) == -1)
    {
    fprintf(stderr, "remove shared buffer failed.\n");
    return -1;
    } 

    return 0 ;
}

//shm_write.cpp
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#include "shm_data.h"


int main(int argc, char** argv)
{
    int shared_buffer_id = shmget(SHARED_BUFFER_KEY, sizeof(shared_buffer_t), 0666 | IPC_CREAT );
    if (shared_buffer_id == -1)
    {
        printf("create shared buffer failed with error = %s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 将创建的共享内存映射到当前进程的地址空间 */
    void* shared_buffer_ptr = shmat(shared_buffer_id, (void*)0, 0);
    if ((void*)-1 == shared_buffer_ptr)
    {
        printf("attaches shared buffer failed with error=%s.\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    shared_buffer_t* shared = (shared_buffer_t*)shared_buffer_ptr;
    // 如果不可以写，则阻塞住
    while (0 != shared->written)
    {
        sleep(1);
    }

    const char* msg = "hello，world";
    strcpy(shared->buffer, msg);
    shared->written = 1;

    //把共享内存从当前进程中分离
    if(shmdt(shared_buffer_ptr) == -1)
    {
    fprintf(stderr, "dettaches shared buffer failed.\n");
    return -1;
    }

    return 0 ;
}

共享内存的方式在多线程或者多进程通信时需要进行同步，这时使用临界区，信号量进行实现同步。

五种通讯方式总结

管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯
FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢
消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题
信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步
共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存

linux 进程间通信学习笔记

管道

FIFO

消息队列

信号量

共享内存

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