Linux下的几种IPC方式及其C语言实现
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在linux下的多个进程间的通信机制叫做IPC(Inter-Process Communication)，它是多个进程之间相互沟通的一种方法。在linux下有多种进程间通信的方法：半双工管道、命名管道、消息队列、信号、信号量、共享内存、内存映射文件，套接字等等。使用这些机制可以为linux下的网络服务器开发提供灵活而又坚固的框架。在这篇博客中我实现了其中的几种机制，详细如下：
1、无名管道：
管道实际是用于进程间通信的一段共享内存，创建管道的进程称为管道服务器，连接到一个管道的进程为管道客户机。一个进程在向管道写入数据后，另一进程就可以从管道的另一端将其读取出来。
管道的特点：
（1）管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道；
（2）只能用于父子进程或者兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。比如fork或exec创建的新进程，在使用exec创建新进程时，需要将管道的文件描述符作为参数传递给exec创建的新进程。当父进程与使用fork创建的子进程直接通信时，发送数据的进程关闭读端，接受数据的进程关闭写端。
（3）单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
（4）数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
管道的实现机制：
管道是由内核管理的一个缓冲区，相当于我们放入内存中的一个纸条。管道的一端连接一个进程的输出。这个进程会向管道中放入信息。管道的另一端连接一个进程的输入，这个进程取出被放入管道的信息。一个缓冲区不需要很大，它被设计成为环形的数据结构，以便管道可以被循环利用。当管道中没有信息的话，从管道中读取的进程会等待，直到另一端的进程放入信息。当管道被放满信息的时候，尝试放入信息的进程会等待，直到另一端的进程取出信息。当两个进程都终结的时候，管道也自动消失。
管道只能在本地计算机中使用，而不可用于网络间的通信。
#include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <errno.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h> int main() { int pipe_fd[2]; pid_t pid; char r_buf[10]; char w_buf[4]; int r_num; memset(r_buf,0,sizeof(r_buf)); memset(w_buf,0,sizeof(w_buf)); if(pipe(pipe_fd)<0) { printf("pipe create error\n"); return -1; } if((pid=fork())==0) { printf("\n"); close(pipe_fd[1]); sleep(3);//确保父进程关闭写端 r_num=read(pipe_fd[0],r_buf,10); printf( "read num is %d the data read from the pipe is %d\n",r_num,atoi(r_buf)); close(pipe_fd[0]); exit(1); } else if(pid>0) { close(pipe_fd[0]);//close read strcpy(w_buf,"111"); if(write(pipe_fd[1],w_buf,4)!=-1) printf("parent write over\n"); printf("parent close fd[1] over\n"); close(pipe_fd[1]);//write sleep(10); } return 0; }
2、有名管道：
命名管道是一种特殊类型的文件，它在系统中以文件形式存在。这样克服了无名管道的弊端，他可以允许没有亲缘关系的进程间通信。
无名管道和命名管道的区别：
对于命名管道FIFO来说，IO操作和普通管道IO操作基本一样，但是两者有一个主要的区别，在命名管道中，管道可以是事先已经创建好的，比如我们在命令行下执行mkfifo myfifo就是创建一个命名通道，我们必须用open函数来显示地建立连接到管道的通道，而在管道中，管道已经在主进程里创建好了，然后在fork时直接复制相关数据或者是用exec创建的新进程时把管道的文件描述符当参数传递进去。
一般来说FIFO和PIPE一样总是处于阻塞状态。也就是说如果命名管道FIFO打开时设置了读权限，则读进程将一直阻塞，一直到其他进程打开该FIFO并向管道写入数据。这个阻塞动作反过来也是成立的。如果不希望命名管道操作的时候发生阻塞，可以在open的时候使用O_NONBLOCK标志，以关闭默认的阻塞操作。
//writing #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <errno.h> #include <fcntl.h> #define N 80 int main() { int out_file; int nbyte; char buf[N]; if((mkfifo("myfifo",0666))<0) //创建有名管道 { if(errno==EEXIST) { printf("The fifo is exist.\n"); } else{ perror("creat myfifo failed!\n"); exit(-1); } }else{ printf("created by this process.\n"); } out_file = open("myfifo",O_WRONLY); if (out_file < 0) { printf("Error opening fifo."); exit(1); } printf("please input something:\n"); while((nbyte = read(0,buf,N))){ write(out_file,buf,nbyte); printf("please input something:\n"); } close(out_file); return 0; }
//reading #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <errno.h> #include <fcntl.h> #define N 80 int main(void) { int in_file; int count = 1; char buf[N]; if((mkfifo("myfifo",0666))<0)//创建有名管道 { if(errno==EEXIST)//管道已经存在 { printf("The fifo is exist.\n"); } else{ printf("creat myfifo failed!\n"); exit(-1); } } else { printf("created by this process.\n"); } in_file = open("myfifo",O_RDONLY); if (in_file < 0) { printf("Error in opening.\n"); exit(1); } while ((count = read(in_file,buf,N)) > 0) { printf("received from fifo: %s\n", buf); memset(buf,0,N); } close(in_file); return 0; }
3、C/S：
//client.c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/msg.h> // 用于创建一个唯一的key #define MSG_FILE "/etc/passwd" // 消息结构 struct msg_form { long mtype; char mtext[256]; }; int main() { int 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: %d.\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777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: %d.\n", msg.mtype); return 0; }
//server.c #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/msg.h> // 用于创建一个唯一的key #define MSG_FILE "/etc/passwd" // 消息结构 struct msg_form { long mtype; char mtext[256]; }; int main() { int 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: %d.\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: %d.\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; }
4、读者/写者：
//write #include<stdio.h> #include<stdlib.h> // exit #include<fcntl.h> // O_WRONLY #include<sys/stat.h> #include<time.h> // time 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 #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<errno.h> #include<fcntl.h> #include<sys/stat.h> 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; }
5、信号量机制：
信号量是一种计数器，用于控制对多个进程共享的资源进行的访问。它们常常被用作一个锁机制，在某个进程正在对特定的资源进行操作时，信号量可以防止另一个进程去访问它。
信号量是特殊的变量，它只取正整数值并且只允许对这个值进行两种操作：等待（wait）和信号（signal）。（P、V操作，P用于等待，V用于信号）
P(sv):如果sv的值大于0，就给它减1；如果它的值等于0，就挂起该进程的执行
V(sv):如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行；如果没有其他进程因等待sv而挂起，则给它加1
简单理解就是P相当于申请资源，V相当于释放资源
操作系统课程里面大量提到过信号量机制，故在此不赘述。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/sem.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)
{
perror("Init Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
// 若信号量值为0，进程挂起等待
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;
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
{
perror("P operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
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)
{
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());
sem_v(sem_id); /*释放资源*/
}
else /*父进程*/
{
sem_p(sem_id); /*等待资源*/
printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
sem_v(sem_id); /*释放资源*/
del_sem(sem_id); /*删除信号量集*/
}
return 0;
}
6、共享内存：
共享内存是在多个进程之间共享内存区域的一种进程间的通信方式，由IPC为进程创建的一个特殊地址范围，它将出现在该进程的地址空间中。其他进程可以将同一段共享内存连接到自己的地址空间中。所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像它们是malloc分配的一样。如果一个进程向共享内存中写入了数据，所做的改动将立刻被其他进程看到。
共享内存是IPC最快捷的方式，因为共享内存方式的通信没有中间过程，而管道、消息队列等方式则是需要将数据通过中间机制进行转换。共享内存方式直接将某段内存段进行映射，多个进程间的共享内存是同一块的物理空间，仅仅映射到各进程的地址不同而已，因此不需要进行复制，可以直接使用此段空间。
注意：共享内存本身并没有同步机制，需要程序员自己控制。
////share_mem_client
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h> // shared memory
#include<sys/sem.h> // semaphore
#include<sys/msg.h> // message queue
#include<string.h> // memcpy
// 消息队列结构
struct msg_form {
long mtype;
char mtext;
};
// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
int val; /*for SETVAL*/
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
// 若信号量值为0，进程挂起等待
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;
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
{
perror("P operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
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;
}
int main()
{
key_t key;
int shmid, semid, msqid;
char *shm;
struct msg_form msg;
int flag = 1; /*while循环条件*/
// 获取key值
if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
{
perror("ftok error");
exit(1);
}
// 获取共享内存
if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1)
{
perror("shmget error");
exit(1);
}
// 连接共享内存
shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
if((int)shm == -1)
{
perror("Attach Shared Memory Error");
exit(1);
}
// 创建消息队列
if ((msqid = msgget(key, 0)) == -1)
{
perror("msgget error");
exit(1);
}
// 获取信号量
if((semid = semget(key, 0, 0)) == -1)
{
perror("semget error");
exit(1);
}
// 写数据
printf("***************************************\n");
printf("* IPC *\n");
printf("* Input r to send data to server. *\n");
printf("* Input q to quit. *\n");
printf("***************************************\n");
while(flag)
{
char c;
printf("Please input command: ");
scanf("%c", &c);
switch(c)
{
case 'r':
printf("Data to send: ");
sem_p(semid); /*访问资源*/
scanf("%s", shm);
sem_v(semid); /*释放资源*/
/*清空标准输入缓冲区*/
while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
msg.mtype = 888;
msg.mtext = 'r'; /*发送消息通知服务器读数据*/
msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
break;
case 'q':
msg.mtype = 888;
msg.mtext = 'q';
msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
flag = 0;
break;
default:
printf("Wrong input!\n");
/*清空标准输入缓冲区*/
while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
}
}
// 断开连接
shmdt(shm);
return 0;
}
//share_mem_server
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h> // shared memory
#include<sys/sem.h> // semaphore
#include<sys/msg.h> // message queue
#include<string.h> // memcpy
// 消息队列结构
struct msg_form {
long mtype;
char mtext;
};
// 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)
{
perror("Init Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
// P操作:
// 若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1
// 若信号量值为0，进程挂起等待
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;
if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
{
perror("P operation Error");
return -1;
}
return 0;
}
// V操作：
// 释放资源并将信号量值+1
// 如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
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)
{
perror("Delete Semaphore Error");
return -1;
}
return 0;
}
// 创建一个信号量集
int creat_sem(key_t key)
{
int sem_id;
if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
{
perror("semget error");
exit(-1);
}
init_sem(sem_id, 1); /*初值设为1资源未占用*/
return sem_id;
}
int main()
{
key_t key;
int shmid, semid, msqid;
char *shm;
char data[] = "this is server";
struct shmid_ds buf1; /*用于删除共享内存*/
struct msqid_ds buf2; /*用于删除消息队列*/
struct msg_form msg; /*消息队列用于通知对方更新了共享内存*/
// 获取key值
if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
{
perror("ftok error");
exit(1);
}
// 创建共享内存
if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1)
{
perror("Create Shared Memory Error");
exit(1);
}
// 连接共享内存
shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
if((int)shm == -1)
{
perror("Attach Shared Memory Error");
exit(1);
}
// 创建消息队列
if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
{
perror("msgget error");
exit(1);
}
// 创建信号量
semid = creat_sem(key);
// 读数据
while(1)
{
msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0); /*读取类型为888的消息*/
if(msg.mtext == 'q') /*quit - 跳出循环*/
break;
if(msg.mtext == 'r') /*read - 读共享内存*/
{
sem_p(semid);
printf("%s\n",shm);
sem_v(semid);
}
}
// 断开连接
shmdt(shm);
/*删除共享内存、消息队列、信号量*/
shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1);
msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2);
del_sem(semid);
return 0;
}
7、网际套接字：
套接字是计算机网络课程、java课程上见过面的老朋友了。套接字机制不但可以单机的不同进程通信，而且使得跨网机器间进程可以通信。
套接字的创建和使用与管道是有区别的，套接字明确地将客户端与服务器区分开来，可以实现多个客户端连到同一服务器。
（1）服务器套接字连接过程描述：
首先，服务器应用程序用socket创建一个套接字，它是系统分配服务器进程的类似文件描述符的资源。 接着，服务器调用bind给套接字命名。这个名字是一个标示符，它允许linux将进入的针对特定端口的连接转到正确的服务器进程。 然后，系统调用listen函数开始接听，等待客户端连接。listen创建一个队列并将其用于存放来自客户端的进入连接。 当客户端调用connect请求连接时，服务器调用accept接受客户端连接，accept此时会创建一个新套接字，用于与这个客户端进行通信。
（2）客户端套接字连接过程描述：
客户端首先调用socket创建一个未命名套接字，让后将服务器的命名套接字作为地址来调用connect与服务器建立连接。
只要双方连接建立成功，我们就可以像操作底层文件一样来操作socket套接字实现通信。
//server.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(void)
{
//create socket
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(fd==-1)
{
perror("socket\n");
exit(-1);
}
printf("socket fd=%d\n",fd);
//build connection address
struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(6666);
addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
int r;
r = bind(fd,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
if(r==-1)
{
perror("bind");
close(fd);
exit(-1);
}
printf("bind address successful!\n");
//accept or send message
char buf[255];
struct sockaddr_in from;
socklen_t len;
len = sizeof(from);
while(1)
{
r = recvfrom(fd,buf,sizeof(buf)-1,0,(struct sockaddr*)&from,&len);
if(r>0)
{
buf[r]=0;
printf("The message from %s is:%s\n",inet_ntoa(from.sin_addr),buf);
}
else
{
break;
}
}
//close socket
close(fd);
return 0;
}
//client.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
int main(void)
{
//create socket
int fd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
if(fd==-1)
{
perror("socket");
exit(-1);
}
printf("create socket OK!\n");
//create an send address
struct sockaddr_in addr={};
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_port = htons(6666);
addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");
//send the message to the specify address
int r;
char buf[255];
while(1)
{
r = read(0,buf,sizeof(buf)-1);
if(r<=0)
break;
sendto(fd,buf,r,0,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
}
//close socket
close(fd);
return 0;
}
tz@COI HZAU
2018/4/24
