進程間的五種通訊方式是什麼

進程間的五種通訊方式：1、管道，速度慢，容量有限，只有父子進程能通訊；2、FIFO，任何進程間都能通訊，但速度慢；3、訊息佇列，可以實現訊息的隨機查詢，容量受到系統限制；4、信號量，不能傳遞複雜訊息，只能用來同步；5、共享記憶體區，指兩個或多個進程共享一個給定的儲存區。

本教學操作環境：windows7系統、Dell G3電腦。

進程間的五種通訊方式：

#一、管道

##管道，通常指無名管道，是UNIX 系統IPC最古老的形式。

1、特點：

• 它是半雙工的（即資料只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端。

• 它只能用於具有親緣關係的進程之間的溝通（也是父子進程或兄弟進程之間）。

• 它可以看成是一種特殊的文件，對於它的讀寫也可以使用普通的read、write 等函數。但是它不是普通的文件，並不屬於其他任何文件系統，並且只存在於記憶體中。

2、原型：

1 #include 
2 int pipe(int fd[2]);    // 返回值：若成功返回0，失败返回-1

當一個管道建立時，它會建立兩個檔案描述符：

fd[0 ]為讀取而打開，fd[1]為寫而打開。如下圖：

要關閉管道只需將這兩個檔案描述子關閉即可。

3、範例

單一行程中的管道幾乎沒有任何用處。所以，通常會呼叫 pipe 的程序接著呼叫 fork，這樣就建立了父進程與子程序之間的 IPC 通道。如下圖所示：

若要資料流從父行程流向子程序，則關閉父程序的讀端（

fd[0]）與子程序的寫端（fd[1]）；反之，則可以使資料流從子程序流向父程序。

 1 #include
 2 #include
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     int fd[2];  // 两个文件描述符
 7     pid_t pid;
 8     char buff[20];
 9 
10     if(pipe(fd)  0)  // 父进程
16     {
17         close(fd[0]); // 关闭读端
18         write(fd[1], "hello world\n", 12);
19     }
20     else
21     {
22         close(fd[1]); // 关闭写端
23         read(fd[0], buff, 20);
24         printf("%s", buff);
25     }
26 
27     return 0;
28 }

二、FIFO

FIFO，也稱為命名管道，它是一種檔案類型。

1、特點

1. FIFO可以在無關的進程之間交換數據，與無名管道不同。

2. FIFO有路徑名與之相關聯，它以特殊設備檔案形式存在於檔案系統中。

2、原型

1 #include 
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 參數與

open函數中的 mode 相同。一旦建立了一個 FIFO，就可以用一般的檔案I/O函數來操作它。

當open 一個FIFO時，是否設定非阻塞標誌（

O_NONBLOCK）的差異：

• 若沒有指定

  O_NONBLOCK（預設），只讀open 要阻塞到某個其他程序為寫而開啟此FIFO。類似的，只寫 open 要阻塞到某個其他行程為讀取而開啟它。

• 若指定了

  O_NONBLOCK，則只讀 open 立即返回。而只寫 open 將出錯傳回 -1 如果沒有進程已經為讀取而開啟該 FIFO，其errno置ENXIO。

3、範例

FIFO的通訊方式類似於在流程中使用檔案來傳輸數據，只不過FIFO類型檔案同時具有管道的特性。在數據讀出時，FIFO管道中同時清除數據，並且「先進先出」。下面的範例示範了使用FIFO 進行IPC 的過程：

write_fifo.c

 1 #include
 2 #include   // exit
 3 #include    // O_WRONLY
 4 #include
 5 #include     // time
 6 
 7 int main()
 8 {
 9     int fd;
10     int n, i;
11     char buf[1024];
12     time_t tp;
13 
14     printf("I am %d process.\n", getpid()); // 说明进程ID
15     
16     if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) read_fifo.c
 1 #include
 2 #include
 3 #include
 4 #include
 5 #include
 6 
 7 int main()
 8 {
 9     int fd;
10     int len;
11     char buf[1024];
12 
13     if(mkfifo("fifo1", 0666)  0) // 读取FIFO管道
23         printf("Read message: %s", buf);
24 
25     close(fd);  // 关闭FIFO文件
26     return 0;
27 }
在兩個終端裡用gcc 分別編譯運行上面兩個文件，可以看到輸出結果如下：
 1 [cheesezh@localhost]$ ./write_fifo 
 2 I am 5954 process.
 3 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
 4 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
 5 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
 6 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
 7 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
 8 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
 9 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
10 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
11 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
12 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015
 1 [cheesezh@localhost]$ ./read_fifo 
 2 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
 3 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
 4 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
 5 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
 6 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
 7 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
 8 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
 9 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
10 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
11 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015
上述例子可以擴展成客戶進程—伺服器進程通訊的實例，
write_fifo的作用類似於客戶端，可以開啟多個客戶端向一個伺服器發送請求訊息，read_fifo類似於伺服器，它適時監控FIFO的讀端，當有資料時，讀出並進行處理，但是有一個關鍵的問題是，每個客戶端必須預先知道伺服器提供的FIFO接口，下圖顯示了這種安排：
#三、訊息佇列##訊息佇列，是訊息的連結表，存放在核心中。一個訊息佇列由一個識別碼（即佇列ID）來識別。 
1、特點
訊息佇列是面向記錄的，其中的訊息具有特定的格式以及特定的優先權。 
訊息佇列獨立於傳送與接收程序。進程終止時，訊息佇列及其內容並不會被刪除。 
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。
2、原型
1 #include 
2 // 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
3 int msgget(key_t key, int flag);
4 // 添加消息：成功返回0，失败返回-1
5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
6 // 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
8 // 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
9 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 ，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之）
3、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
 1 #include 
 2 #include 
 3 #include 
 4 
 5 // 用于创建一个唯一的key
 6 #define MSG_FILE "/etc/passwd"
 7 
 8 // 消息结构
 9 struct msg_form {
10     long mtype;
11     char mtext[256];
12 };
13 
14 int main()
15 {
16     int msqid;
17     key_t key;
18     struct msg_form msg;
19     
20     // 获取key值
21     if((key = ftok(MSG_FILE,'z')) 
msg_client.c
 1 #include 
 2 #include 
 3 #include 
 4 
 5 // 用于创建一个唯一的key
 6 #define MSG_FILE "/etc/passwd"
 7 
 8 // 消息结构
 9 struct msg_form {
10     long mtype;
11     char mtext[256];
12 };
13 
14 int main()
15 {
16     int msqid;
17     key_t key;
18     struct msg_form msg;
19 
20     // 获取key值
21     if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z')) 
四、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。
1、特点
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。
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。
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。
支持信号量组。
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。
1 #include 
2 // 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
3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
4 // 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
5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
6 // 控制信号量的相关信息
7 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：
1 struct sembuf 
2 {
3     short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
4     short sem_op;  // 信号量值在一次操作中的改变量
5     short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6 }
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 ，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：
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。
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。
3、例子
  1 #include
  2 #include
  3 #include
  4 
  5 // 联合体，用于semctl初始化
  6 union semun
  7 {
  8     int              val; /*for SETVAL*/
  9     struct semid_ds *buf;
 10     unsigned short  *array;
 11 };
 12 
 13 // 初始化信号量
 14 int init_sem(int sem_id, int value)
 15 {
 16     union semun tmp;
 17     tmp.val = value;
 18     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
 19     {
 20         perror("Init Semaphore Error");
 21         return -1;
 22     }
 23     return 0;
 24 }
 25 
 26 // P操作:
 27 //    若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
 28 //    若信号量值为0，进程挂起等待
 29 int sem_p(int sem_id)
 30 {
 31     struct sembuf sbuf;
 32     sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
 33     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
 34     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 35 
 36     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 37     {
 38         perror("P operation Error");
 39         return -1;
 40     }
 41     return 0;
 42 }
 43 
 44 // V操作：
 45 //    释放资源并将信号量值+1
 46 //    如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
 47 int sem_v(int sem_id)
 48 {
 49     struct sembuf sbuf;
 50     sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
 51     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
 52     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 53 
 54     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 55     {
 56         perror("V operation Error");
 57         return -1;
 58     }
 59     return 0;
 60 }
 61 
 62 // 删除信号量集
 63 int del_sem(int sem_id)
 64 {
 65     union semun tmp;
 66     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
 67     {
 68         perror("Delete Semaphore Error");
 69         return -1;
 70     }
 71     return 0;
 72 }
 73 
 74 
 75 int main()
 76 {
 77     int sem_id;  // 信号量集ID
 78     key_t key;  
 79     pid_t pid;
 80 
 81     // 获取key值
 82     if((key = ftok(".", 'z')) 
上面的例子如果不加信号量，则父进程会先执行完毕。这里加了信号量让父进程等待子进程执行完以后再执行。
五、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。
1、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。
2、原型
1 #include 
2 // 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
3 int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
4 // 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
5 void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
6 // 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
7 int shmdt(void *addr); 
8 // 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
9 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）。
3、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
  1 #include
  2 #include
  3 #include  // shared memory
  4 #include  // semaphore
  5 #include  // message queue
  6 #include   // memcpy
  7 
  8 // 消息队列结构
  9 struct msg_form {
 10     long mtype;
 11     char mtext;
 12 };
 13 
 14 // 联合体，用于semctl初始化
 15 union semun
 16 {
 17     int              val; /*for SETVAL*/
 18     struct semid_ds *buf;
 19     unsigned short  *array;
 20 };
 21 
 22 // 初始化信号量
 23 int init_sem(int sem_id, int value)
 24 {
 25     union semun tmp;
 26     tmp.val = value;
 27     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
 28     {
 29         perror("Init Semaphore Error");
 30         return -1;
 31     }
 32     return 0;
 33 }
 34 
 35 // P操作:
 36 //  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
 37 //  若信号量值为0，进程挂起等待
 38 int sem_p(int sem_id)
 39 {
 40     struct sembuf sbuf;
 41     sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
 42     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
 43     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 44 
 45     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 46     {
 47         perror("P operation Error");
 48         return -1;
 49     }
 50     return 0;
 51 }
 52 
 53 // V操作：
 54 //  释放资源并将信号量值+1
 55 //  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
 56 int sem_v(int sem_id)
 57 {
 58     struct sembuf sbuf;
 59     sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
 60     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
 61     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 62 
 63     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 64     {
 65         perror("V operation Error");
 66         return -1;
 67     }
 68     return 0;
 69 }
 70 
 71 // 删除信号量集
 72 int del_sem(int sem_id)
 73 {
 74     union semun tmp;
 75     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
 76     {
 77         perror("Delete Semaphore Error");
 78         return -1;
 79     }
 80     return 0;
 81 }
 82 
 83 // 创建一个信号量集
 84 int creat_sem(key_t key)
 85 {
 86     int sem_id;
 87     if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
 88     {
 89         perror("semget error");
 90         exit(-1);
 91     }
 92     init_sem(sem_id, 1);  /*初值设为1资源未占用*/
 93     return sem_id;
 94 }
 95 
 96 
 97 int main()
 98 {
 99     key_t key;
100     int shmid, semid, msqid;
101     char *shm;
102     char data[] = "this is server";
103     struct shmid_ds buf1;  /*用于删除共享内存*/
104     struct msqid_ds buf2;  /*用于删除消息队列*/
105     struct msg_form msg;  /*消息队列用于通知对方更新了共享内存*/
106 
107     // 获取key值
108     if((key = ftok(".", 'z')) 
client.c
  1 #include
  2 #include
  3 #include  // shared memory
  4 #include  // semaphore
  5 #include  // message queue
  6 #include   // memcpy
  7 
  8 // 消息队列结构
  9 struct msg_form {
 10     long mtype;
 11     char mtext;
 12 };
 13 
 14 // 联合体，用于semctl初始化
 15 union semun
 16 {
 17     int              val; /*for SETVAL*/
 18     struct semid_ds *buf;
 19     unsigned short  *array;
 20 };
 21 
 22 // P操作:
 23 //  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
 24 //  若信号量值为0，进程挂起等待
 25 int sem_p(int sem_id)
 26 {
 27     struct sembuf sbuf;
 28     sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
 29     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
 30     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 31 
 32     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 33     {
 34         perror("P operation Error");
 35         return -1;
 36     }
 37     return 0;
 38 }
 39 
 40 // V操作：
 41 //  释放资源并将信号量值+1
 42 //  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
 43 int sem_v(int sem_id)
 44 {
 45     struct sembuf sbuf;
 46     sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
 47     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
 48     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 49 
 50     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 51     {
 52         perror("V operation Error");
 53         return -1;
 54     }
 55     return 0;
 56 }
 57 
 58 
 59 int main()
 60 {
 61     key_t key;
 62     int shmid, semid, msqid;
 63     char *shm;
 64     struct msg_form msg;
 65     int flag = 1; /*while循环条件*/
 66 
 67     // 获取key值
 68     if((key = ftok(".", 'z')) 
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：
1 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
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
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