1、进程间通信（IPC ）介绍

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。

2、管道

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

2.1、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。

2.2、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。

3、FIFO

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

3.1、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。

3.2、原型

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);    // 返回值：成功返回0，出错返回-1

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：

（1）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。

（2）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。

4、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。

4.1、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。

4.2、原型

#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int flag);    // 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1

int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);    // 添加消息：成功返回0，失败返回-1

int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);    // 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);    // 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1

在以下两种情况下，msgget将创建一个新的消息队列：

（1）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。

（2）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：

（1）type == 0，返回队列中的第一个消息。

（2）type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息。

（3）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。（其他的参数解释，请自行Google）

5、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。

5.1、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。

5.2、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>

int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);    // 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 semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);     // 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 semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);    // 控制信号量的相关信息

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：

（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。

（2.1）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。

（2.2）当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。

（2.2.1）sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。

（2.2.2）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：

（2.2.2.2）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；

（2.2.2.2）此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；

（2.2.2.3）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

（3）若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：

（3.1）当信号量已经为0，函数立即返回。

（3.2）如果信号量的值不为0，则依据sem_flg决定函数动作：

（3.2.1）sem_flg指定IPC_NOWAIT，则出错返回EAGAIN。

（3.2.2）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：

（3.2.2.1）信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；

（3.2.2.2）此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；

（3.2.2.3）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：

（1）SETVAL：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。

（2）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。

6、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。

6.1、特点

（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。

6.2、原型

#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int flag);    // 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

void *shmat(int shm_id, const void *addr, 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

int shmdt(void *addr);    // 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1

int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);    // 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1

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）。

7、五种通信方式总结

（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。

转自：https://blog.csdn.net/wh_sjc/article/details/70283843