2

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:

clipboard.png
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:

clipboard.png
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
    1. FIFO可以在无关的进程之间交换数据,与无名管道不同。
    2. 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:

    clipboard.png

    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

    1. 管道:速度慢,容量有限,只有父子进程能通讯
    2. FIFO:任何进程间都能通讯,但速度慢
    3. 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
    4. 信号量:不能传递复杂消息,只能用来同步
    5. 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

    风斩冰华
    27 声望12 粉丝

    coding