进程间通信（IPC，InterProcess Communication）：是指在不同进程之间传播或交换信息。
命令行、环境变量只能单向传递，信号太过于简单，文件通信不能实时。
a、由内核维护一个共享的内存区域，其它进程把自己虚拟地址映射到这块内存，多个进程之间就可以共享这块内存了。
b、这种进程间通信的好处是不需要信息复制，是进程间通信最快的一种方式。
c、但这种通信方式会面临同步的问题，需要与其它通信方式配合，最合适的就是信号。
#include <sys/shm.h>
// 创建或获取一个共享内存
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
size：共享的大小，尽量是4096的位数
shmflg：IPC_CREAT｜IPC_EXCL
返回值：IPC对象标识符(类似文件描述符)，失败返回-1
// 连接共享内存到当前进程的地址空间(进程的虚拟地址与共享的内存映射）
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
shmid：shmget的返回值
shmaddr：进程提供的虚拟地址，如果为NULL，操作系统会自动选择一块地址映射。
shmflg：
SHM_RDONLY：限制内存的权限为只读
SHM_REMAP：映射已经存的共享内存。
SHM_RND：当shmaddr为空时自动分配
SHMLBA：shmaddr的值不能为空，否则出错
返回值：映射后的虚拟内存地址,成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
// 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);
cmd:
IPC_STAT：获取共享内存的属性
IPC_SET：设置共享内存的属性
IPC_RMID：删除共享内存
buf：
记录共享内存属性的对象
3、例子
下面这个例子，使用了【共享内存+信号】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。
服务端
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
char* buf = NULL;
void sigint(int num)
{
printf("\r接收到数据:%s\n",buf);
printf(">");
fflush(stdout);
}
int main()
{
signal(SIGINT,sigint);
key_t key = 39242235;
int pid = 0;
printf("我是进程%d\n",getpid());
printf("与我通信的进程是:");
scanf("%d",&pid);
getchar();
// 创建共享内存
int shmid = shmget(key,4096,IPC_CREAT|0744);
if(0 > shmid)
{
perror("shmget");
return -1;
}
// 加载共享内存
buf = shmat(shmid,NULL,SHM_RND);
while(1)
{
printf(">");
gets(buf);
kill(pid,SIGINT);
}
if(shmdt(buf))
{
perror("shmdt");
}
}
客户端
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
char* buf = NULL;
void sigint(int num)
{
printf("\r接收到数据:%s\n",buf);
printf(">");
fflush(stdout);
}
int main()
{
signal(SIGINT,sigint);
key_t key = 39242235;
int pid = 0;
printf("我是进程%d\n",getpid());
printf("与我通信的进程是:");
scanf("%d",&pid);
getchar();
// 创建共享内存
int shmid = shmget(key,4096,0);
if(0 > shmid)
{
perror("shmget");
return -1;
}
// 加载共享内存
buf = shmat(shmid,NULL,SHM_RND);
while(1)
{
printf(">");
gets(buf);
kill(pid,SIGINT);
}
if(shmdt(buf))
{
perror("shmdt");
}
}
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>
// 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);
ptr：消息（消息类型＋消息内容）的首地址
size：消息内存的长度（不包括消息类型）
// 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：
函数msgrcv在读取消息队列时，type参数有下面几种情况：
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。
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。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "."
// 消息结构
struct msg_form {
long mtype;
char mtext[256];
};
int main()
{
long 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: %ld.\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: %ld.\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 <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "."
// 消息结构
struct msg_form {
long mtype;
char mtext[256];
};
int main()
{
long 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: %ld.\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999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: %ld.\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。
为了防止出现因多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种方法，它可以通过生成并使用令牌来授权，在任一时刻只能有一个执行线程访问代码的临界区域。临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来调协进程对共享资源的访问的。
信号量是一个特殊的变量，程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。
a、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。
b、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。
c、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。
d、支持信号量组。
对于信号量，可以认为是一个仓库，有两个概念，容量和当前的货物个数。
P操作从仓库拿货，如果仓库中没有货，线程一直等待，直到V操作，往仓库里添加了货物，为了避免P操作一直等待下去，会有一个超时时间。
V操作往仓库送货，如果仓库满了，线程等待，直到有P操作，从仓库中拿走货物，有空的位置。
创建信号量，设置容量，先有V操作，才能P操作。
P操作：货物个数减1，减过之后，货物个数大于等于0，说明已经拿到货物，线程继续。否者线程阻塞。
V操作：货物个数加1，加过之后，货物个数小于等于容量，说明添加成功，线程继续。否者线程阻塞。
0≤ 信号量≤容量 ，取值 表示当前可以使用的货物；
信号量<0 ， 取值 表示当前等待使用货物的线程；
信号量>容量 ， 信号量-容量 表示当前等待添加货物的线程。
通常，信号量的容量设置很大，可以一直V操作，不会阻塞，但是P操作的时候，很可能阻塞。
当容量为1，也就是互斥，执行流程必定是V操作，P操作，V操作，P操作…
可以认为信号量关联一组线程，保存一个指针，指向线程数组的首地址。比如当前信号量为-1，进行P操作，信号量为-2，说明没有拿到货物，线程等待，取值为-2，说明有两个线程等待那货物。这个时候，其他线程进行V操作，信号量加1，为-1，信号量通知等待的线程中，第一个线程继续执行，第二个线程继续等待。
也就是说，P操作等待的情况是减1后，信号量小于0。 P操作继续执行的情况有两种：a、减1后，信号量大于等于0，不需等待，直接执行；b、信号量小于0，等待中，其他人进行了V操作，通知这个线程，继续执行。
客户端使用提供的SDk与服务交互，为了提高效率，客户端发送一个请求后，SDK异步回调给客户端。但是，有些请求，客户端希望同步，等待回复。这个时候，建立一个map，以req的sequence为key，value为信号量的指针，信号量的容量设置为1，可用的货物为0，对信号量进行TimeoutP操作，货物个数为-1，阻塞在这里。异步回调，收到回复的sequence，根据map找到信号量指针，进行V操作，货物个数为0，通知前面TimeoutP的线程继续执行下去，这个时候，TimeoutP的线程，把回复消息取出来，返回给客户端。
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 。
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
/*sembuf结构的sem_flg成员为SEM_UNDO时，它将使操作系统跟踪当前进程对这个信号量的修改情况，如果这个进程
在没有释放该信号量的情况下终止，操作系统将自动释放该进程持有的信号量，从而使另外一个进程可以继续工作，防
止其他进程因为得不到信号量而发生【死锁现象】。为此一般建议使用SEM_UNDO。*/
}
其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量：
1、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。
2、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：
a、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；
b、此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
c、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
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：
a、信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
b、此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
c、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
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/types.h>
// 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)//0 :信号量集数组上的下标，表示某一个信号量
{
perror("Init Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
// P(sv)操作:
// 如果sv的值大于零，就给它减1；
// 如果它的值为零，就挂起该进程的执行
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;
/*通常为SEM_UNDO,使操作系统跟踪信号，
并在进程没有释放该信号量而终止时，操作系统释放信号量*/
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
{
perror("P operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// V(sv)操作：
// 如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，唤醒它们
// 如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.
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)//IPC_RMID删除信号量
{
perror("Delete Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
int main()
{
int sem_id; // 信号量集ID
key_t key;
pid_t pid;
// 获取key值
if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
{
perror("ftok error");
exit(1);
}
// 创建信号量集，其中只有一个信号量
if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
{
perror("semget error");
exit(1);
}
// 初始化：初值设为0资源被占用
init_sem(sem_id, 0);
if((pid = fork()) == -1)
{
perror("Fork Error");
}
else if(pid == 0) /*子进程*/
{
sleep(2);
printf("Process child: pid=%d\n", getpid());
printf("children give sem:\n");
sem_v(sem_id); /*释放资源*/
}
else /*父进程*/
{
printf("father wait sem:\n");
sem_p(sem_id); /*等待资源*/
printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
printf("father lend sem:\n");
sem_v(sem_id); /*释放资源*/
del_sem(sem_id); /*删除信号量集*/
}
return 0;
}
管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。
a、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。
b、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）。
c、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。
1 #include <unistd.h>
2 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。
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 <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
char buff[255] = {};
int fd[2];//文件描述符
pid_t pid;
// 返回值：若成功返回0，失败返回-1
if(pipe(fd) < 0)//创建管道
{
perror("pipe");
return -1;
}
//赋值运算符比比较运算符优先级低
if( (pid = fork()) < 0)//创建子进程
{
perror("fork");
return -1;
}
else if(pid == 0)//子进程
{
printf("\npid:%d\n",getpid());
close(fd[1]);
while(1)
{
sleep(1);
read(fd[0],buff,20);
printf("%s\n",buff);
bzero(0,sizeof(buff));
getchar();
}
}
else//父进程
{
close(fd[0]);
write(fd[1],"hahaha",12);
}
return 0;
}
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。
1 #include <sys/stat.h>
2 // 返回值：成功返回0，出错返回-1
3 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。
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：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // exit
#include <fcntl.h> // O_WRONLY
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>//getpid()
#include <time.h> // time
#include <unistd.h>
int main()
{
int fd;
int n, i;
char buf[1024];
time_t tp;
printf("I am %d process.\n", getpid()); // 说明进程ID
if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以写打开一个FIFO
{
perror("Open FIFO Failed");
exit(1);
}
for(i=0; i<10; ++i)
{
time(&tp); // 取系统当前时间
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) // 写入到FIFO中
{
perror("Write FIFO Failed");
close(fd);
exit(1);
}
sleep(1); // 休眠1秒
}
close(fd); // 关闭FIFO文件
return 0;
}
read_fifo.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>//exit
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>//open
#include <unistd.h>//read
#include <sys/stat.h> //mkfifo
int main()
{
int fd;
int len;
char buf[1024];
if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 创建FIFO管道
{
perror("Create FIFO Failed");
}
if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0) // 以读打开FIFO
{
perror("Open FIFO Failed");
exit(1);
}
while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 读取FIFO管道
{
printf("Read message: %s", buf);
}
close(fd); // 关闭FIFO文件
return 0;
}
结果如下：
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：
