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:
1 #include <unistd.h> 2 int pipe(int fd[2]); // 返回值:若成功返回0,失败返回-1</unistd.h>
fd[0 ]為讀取而打開,
fd[1]為寫而打開。如下圖:
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<stdio.h> 2 #include<unistd.h> 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 }</unistd.h></stdio.h>
1 #include <sys> 2 // 返回值:成功返回0,出错返回-1 3 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);</sys>
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。
O_NONBLOCK)的差異:
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。
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。
1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> // exit 3 #include<fcntl.h> // O_WRONLY 4 #include<sys> 5 #include<time.h> // 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<p></p> <pre class="brush:php;toolbar:false"> 1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> 3 #include<errno.h> 4 #include<fcntl.h> 5 #include<sys> 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 }</sys></fcntl.h></errno.h></stdlib.h></stdio.h>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:
1、特點
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。
1 #include <sys> 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);</sys>
在以下两种情况下,msgget
将创建一个新的消息队列:
IPC_CREAT
标志位。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)
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 <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <sys> 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')) <p>msg_client.c</p> <pre class="brush:php;toolbar:false"> 1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <sys> 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')) <h2 id="四、信号量"><strong>四、信号量</strong></h2> <p>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。</p> <h3 id="1、特点-2">1、特点</h3> <ol> <li><p>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。</p></li> <li><p>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。</p></li> <li><p>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。</p></li> <li><p>支持信号量组。</p></li> </ol> <h3 id="2、原型-2">2、原型</h3> <p>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。</p> <p>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。</p> <pre class="brush:php;toolbar:false">1 #include <sys> 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, ...);</sys>
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。
sem_flg
有关。IPC_NOWAIT
,则semop函数出错返回EAGAIN
。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:若sem_op == 0
,进程阻塞直到信号量的相应值为0:
sem_flg
决定函数动作:IPC_NOWAIT
,则出错返回EAGAIN
。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: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。1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> 3 #include<sys> 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')) <p>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。</p> <h2 id="五、共享内存"><strong>五、共享内存</strong></h2> <p>共享内存(Shared Memory),指两个或多个进程共享一个给定的存储区。</p> <h3 id="1、特点-3">1、特点</h3> <ol> <li><p>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。</p></li> <li><p>因为多个进程可以同时操作,所以需要进行同步。</p></li> <li><p>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。</p></li> </ol> <h3 id="2、原型-3">2、原型</h3> <pre class="brush:php;toolbar:false">1 #include <sys> 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);</sys>
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)。
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。
server.c
1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> 3 #include<sys> // shared memory 4 #include<sys> // semaphore 5 #include<sys> // message queue 6 #include<string.h> // 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')) <p>client.c</p> <pre class="brush:php;toolbar:false"> 1 #include<stdio.h> 2 #include<stdlib.h> 3 #include<sys> // shared memory 4 #include<sys> // semaphore 5 #include<sys> // message queue 6 #include<string.h> // 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')) <p>注意:当<code>scanf()</code>输入字符或字符串时,缓冲区中遗留下了<code>\n</code>,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<code>fflush(stdin)</code>(它只是标准C的扩展),所以我们使用了替代方案:</p> <pre class="brush:php;toolbar:false">1 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
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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