C++ 进程间通信详解

一，C++ 常用进程间通信

• 管道(Pipe)：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，允许一个进程和另一个与它有共同祖先的进程之间进行通信。
• 命名管道(named pipe)：命名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。命名管道在文件系统中有对应的文件名。命名管道通过命令mkfifo或系统调用mkfifo来创建。
• 信号(Signal)：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身;Linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction(实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数)。
• 消息(Message)队列：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺
• 共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
• 信号量(semaphore)：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
• 套接字(Socket)：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

二，共享内存

1. 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。
2. 因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
3. 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。

// boosttest.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
 
#include "stdafx.h"
 
#include <boost/lexical_cast.hpp>       
#include <iostream>
#include <boost/interprocess/shared_memory_object.hpp>
#include <boost/interprocess/mapped_region.hpp>
 
using namespace std;
using namespace boost::interprocess;
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    cout << "argc" << argc<<argv[0];
    if (argc == 1) {//父进程
        //1 删除共享内存
        struct  shm_remove
        {
            shm_remove() { shared_memory_object::remove("SharedMemory"); }
            ~shm_remove() { shared_memory_object::remove("SharedMemory"); }
        }remover;
 
 
    //2 创建共享内存段
    shared_memory_object shm(create_only, "SharedMemory", read_write);
 
    //3 设置共享内存大小
    shm.truncate(100);
 
    //4 映射共享内存片段
    mapped_region region(shm, read_write);
 
    //5 初始化为1
    std::memset(region.get_address(), 1, region.get_size());
    
    //运行子进程
    std::string s(argv[0]);
    s += " child ";
    if (0 != std::system(s.c_str()))
        return 1;
    }
    else
    {
        //1 创建共享内存
        shared_memory_object shm(open_only, "SharedMemory", read_only);
 
        //2 映射共享内存
        mapped_region region(shm, read_only);
 
        //3 检查共享内存是否被初始化为1
        char* mem = static_cast<char*>(region.get_address());
        for (std::size_t i = 0; i < region.get_size(); ++i) {
            if (*mem++ != 1)
                return 1;
            else
            {
                printf("mem:%d   ", *mem);
            }
        }
    }
 
    system("pause");
    return 0;
}

三，消息队列

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。

// boosttest.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
 
#include "stdafx.h"
 
#include <boost/lexical_cast.hpp>       
#include <iostream>
#include <boost/interprocess/shared_memory_object.hpp>
#include <boost/interprocess/mapped_region.hpp>
#include <boost/interprocess/ipc/message_queue.hpp>
#include <vector>
 
using namespace std;
using namespace boost::interprocess;
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    cout << "argc" << argc<<argv[0];
    if (argc == 1) {//父进程
        //1 删除消息队列
        message_queue::remove("message_queue");
 
    //2 创建消息队列
        message_queue mq(create_only, "message_queue", 100, sizeof(int));
 
    //3 发送100个数字
        for (int i = 0; i < 100; ++i) {
            mq.send(&i, sizeof(i), 0);
    }
    
    //运行子进程
    std::string s(argv[0]);
    s += " child ";
    if (0 != std::system(s.c_str()))
        return 1;
    }
    else
    {
        //1 打开消息队列
        message_queue mq(open_only, "message_queue");
 
        unsigned int priority;
        message_queue::size_type recvd_size;
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            int number;
            mq.receive(&number, sizeof(number),recvd_size,priority);
            if (number != i || recvd_size != sizeof(number))
                return 1;
            else
                printf("number:%d ", number);
        }
        
        message_queue::remove("message_queue");
    }
 
    system("pause");
    return 0;
}

四，信号量

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。

// boosttest.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
 
#include "stdafx.h"
 
// boosttest.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
 
#include "stdafx.h"
 
#include <boost/lexical_cast.hpp>       
#include <iostream>
#include <boost/interprocess/shared_memory_object.hpp>
#include <boost/interprocess/mapped_region.hpp>
#include <boost/interprocess/sync/interprocess_semaphore.hpp>
 
using namespace std;
using namespace boost::interprocess;
 
struct  shared_memory_buffer
{
    enum { NumItems = 100};//数组大小
    shared_memory_buffer():mutex(1),nempty(NumItems),nstored(0){}
 
        interprocess_semaphore mutex, nempty, nstored;//匿名信号量
        int items[NumItems];//共享数组
};
int main(int argc, char *argv[])
{
    //cout << "argc" << argc << argv[0];
    if (argc == 1) {//父进程
        //1 删除共享内存
        struct  shm_remove
        {
            shm_remove() { shared_memory_object::remove("SharedMemory"); }
        }remover;
 
 
        //2 创建共享内存段
        shared_memory_object shm(create_only, "SharedMemory", read_write);
 
        //3 设置共享内存大小
        shm.truncate(sizeof(shared_memory_buffer));
 
        //4 映射共享内存片段
        mapped_region region(shm, read_write);
 
        //5 写数据，数据满了会阻塞
        void *addr = region.get_address();
        shared_memory_buffer *data = new(addr)shared_memory_buffer;
        const int NumMsg = 100;
        for (int i = 0; i < NumMsg; ++i) {
            data->nempty.wait();
            data->mutex.wait();
            data->items[i%shared_memory_buffer::NumItems] = i;
            data->mutex.post();
            data->nstored.post();
        }
    }
    else
    {
        struct shm_remove
        {
            ~shm_remove() { shared_memory_object::remove("MySharedMemory"); }
        } remover;
 
        //1 创建共享内存
        shared_memory_object shm(open_only, "SharedMemory", read_write);
 
        //2 映射共享内存
        mapped_region region(shm, read_write);
 
        //3 共享数据复制到自己的缓冲
        void * addr = region.get_address();
        shared_memory_buffer* data = static_cast<shared_memory_buffer*>(addr);
        const int NumMsg = 100;
        int extracted_data[NumMsg];
 
        for (int i = 0; i < NumMsg; ++i) {
            data->nstored.wait();
            data->mutex.wait();
            extracted_data[i] = data->items[i%shared_memory_buffer::NumItems];
            printf("data:%d ", data->items[i%shared_memory_buffer::NumItems]);
            data->mutex.post();
            data->nempty.post();
        }
    }
 
    system("pause");
    return 0;
}
信号量与互斥锁的区别：

1，作用域

信号量: 进程间或线程间(linux仅线程间)

互斥锁: 线程间

2，上锁时

信号量: 只要信号量的value大于0，其他线程就可以wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则wait阻塞，直到post释放后value值加一

互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源