nber1994



os-IPC

August 9, 2019

os-IPC

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。

一、管道

1、特点:

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、例子

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main()
{
	int fd[2];  // 两个文件描述符
	pid_t pid;
	char buff[20];

	if(pipe(fd) < 0)  // 创建管道
		printf("Create Pipe Error!\n");

	if((pid = fork()) < 0)  // 创建子进程
		printf("Fork Error!\n");
	else if(pid > 0)  // 父进程
	{
		close(fd[0]); // 关闭读端
		write(fd[1], "hello world\n", 12);
	}
	else
	{
		close(fd[1]); // 关闭写端
		read(fd[0], buff, 20);
		printf("%s", buff);
	}

	return 0;
}

二、FIFO

1、特点

2、原型

#include <sys/stat.h>
// 返回值:成功返回0,出错返回-1
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

3、例子

write_fifo.c

#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_fifo.c

#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;
}
[songlee@localhost]$ ./write_fifo 
I am 5954 process.
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015


[songlee@localhost]$ ./read_fifo 
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015

三、消息队列

1、特点

2、原型

#include <sys/msg.h>
// 创建或打开消息队列:成功返回队列ID,失败返回-1
int msgget(key_t key, int flag);
// 添加消息:成功返回0,失败返回-1
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
// 读取消息:成功返回消息数据的长度,失败返回-1
int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
// 控制消息队列:成功返回0,失败返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

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

#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;
}
msg_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;
}

四、信号量

1、特点

2、原型

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

3、例子

#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;
}

五、共享内存

1、特点

2、原型

#include <sys/shm.h>
// 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
int shmget(key_t key, size_t size, 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
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接:成功返回0,失败返回-1
int shmdt(void *addr); 
// 控制共享内存的相关信息:成功返回0,失败返回-1
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

3、例子

Server.c

#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;
}
Client.c

#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;
}
while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);

六、socket

七、信号

区别