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
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