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面試必備 進程間的五種通信方式

網絡 通信技術
進程間通信(IPC)是指在不同進程間傳播或交換信息,它的方式通常有管道(包括無名管道和命名管道)、消息隊列、信號量、共享存儲、Socket、Streams等。

進程間通信(IPC,Inter-Process Communication)是指在不同進程間傳播或交換信息。

IPC的方式通常有管道(包括無名管道和命名管道)、消息隊列、信號量、共享存儲、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主機上的兩個進程IPC。

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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

  • 半雙工(數據流向僅有一個方向),具有固定的讀端和寫端
  • 只能用于父進程或兄弟線程之間通信(具有血緣關系的線程之間)
  • 一種特殊文件,可以用普通的read、write函數進行讀寫,但又不是普通文件,不屬于任何其它文件系統,僅存在于內存之中

2. 原型

  1. #include <unistd.h> 
  2. int pipe(int fd[2]); // 返回值:若成功返回0,失敗返回-1 

當一個管道建立時,它會創建兩個文件描述符:fd[0]為讀而打開,fd[1]為寫而打開。要關閉管道只需要關閉這兩個文件描述符即可。如下圖:

3. 例子

單個進程中的管道幾乎沒有任何用處。所以,通常調用 pipe 的進程接著調用 fork,這樣就創建了父進程與子進程之間的 IPC 通道。如下圖所示:

fork之后的半雙工管道

fork之后的半雙工管道

從父進程到子進程之間的管道

若要數據流從父進程流向子進程,則關閉父進程的讀端(fd[0])與子進程的寫端(fd[1]);反之,則可以使數據流從子進程流向父進程。

  1. #include<stdio.h> 
  2. #include<unistd.h> 
  3.  
  4. int main() 
  5.  int fd[2]; // 兩個文件描述符 
  6.  pid_t pid; 
  7.  char buff[20]; 
  8.  
  9.  if(pipe(fd) < 0) // 創建管道 
  10.  printf("Create Pipe Error!\n"); 
  11.  
  12.  if((pid = fork()) < 0) // 創建子進程 
  13.  printf("Fork Error!\n"); 
  14.  else if(pid > 0) // 父進程 
  15.  { 
  16.  close(fd[0]); // 關閉讀端 
  17.  write(fd[1], "hello world\n", 12); 
  18.  } 
  19.  else 
  20.  { 
  21.  close(fd[1]); // 關閉寫端 
  22.  read(fd[0], buff, 20); 
  23.  printf("%s", buff); 
  24.  } 
  25.  
  26.  return 0; 

二、命名管道(FIFO)

FIFO,也稱為命名管道,它是一種文件類型。

1. 特點

  • 與無名管道不同,命名管道可以在無關進程間通信
  • FIFO以一種特殊設備文件形式存在于文件系統中,有路徑名與之關聯

2. 原型

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

其中的 mode 參數與下文中open函數中的 mode 相同

3. 例子

wirte:

  1. #include<stdio.h> 
  2. #include<stdlib.h> // exit 
  3. #include<fcntl.h> // O_WRONLY 
  4. #include<sys/stat.h> 
  5. #include<time.h> // time 
  6.  
  7. int main() 
  8.  int fd; 
  9.  int n, i; 
  10.  char buf[1024]; 
  11.  time_t tp; 
  12.  
  13.  printf("I am %d process.\n", getpid()); // 說明進程ID 
  14.  //當 open 一個FIFO時,是否設置非阻塞標志(O_NONBLOCK)的區別: 
  15.  
  16. //若沒有指定O_NONBLOCK(默認),只讀 open 要阻塞到某個其他進程為寫而打開此 FIFO。類似的,只寫 open 要阻塞到某個其他進程為讀而打開它。 
  17.  
  18. 若指定了O_NONBLOCK,則只讀 open 立即返回。而只寫 open 將出錯返回 -1 如果沒有進程已經為讀而打開該 FIFO,其errno置ENXIO。 
  19.  if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以寫打開一個FIFO  
  20.  { 
  21.  perror("Open FIFO Failed"); 
  22.  exit(1); 
  23.  } 
  24.  
  25.  for(i=0; i<10; ++i) 
  26.  { 
  27.  time(&tp); // 取系統當前時間 
  28.  n=sprintf(buf,"Process %d's time is %s",getpid(),ctime(&tp)); 
  29.  printf("Send message: %s", buf); // 打印 
  30.  if(write(fd, buf, n+1) < 0) // 寫入到FIFO中 
  31.  { 
  32.  perror("Write FIFO Failed"); 
  33.  close(fd); 
  34.  exit(1); 
  35.  } 
  36.  sleep(1); // 休眠1秒 
  37.  } 
  38.  
  39.  close(fd); // 關閉FIFO文件 
  40.  return 0; 

read:

  1. #include<stdio.h> 
  2. #include<stdlib.h> 
  3. #include<errno.h> 
  4. #include<fcntl.h> 
  5. #include<sys/stat.h> 
  6.  
  7. int main() 
  8.  int fd; 
  9.  int len; 
  10.  char buf[1024]; 
  11.  
  12.  if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 創建FIFO管道 
  13.  perror("Create FIFO Failed"); 
  14.  
  15.  if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0) // 以讀打開FIFO 
  16.  { 
  17.  perror("Open FIFO Failed"); 
  18.  exit(1); 
  19.  } 
  20.   
  21.  while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 讀取FIFO管道 
  22.  printf("Read message: %s", buf); 
  23.  
  24.  close(fd); // 關閉FIFO文件 
  25.  return 0; 

三、消息隊列

消息隊列,是消息的鏈接表,存放在內核中。一個消息隊列由一個標識符(即隊列ID)來標識。

1. 特點

  • 消息隊列是面向記錄的,其中的消息具有特定的格式以及特定的優先級
  • 消息隊列獨立于發送與接收進程。進程終止時,消息隊列及其內容并不會被刪除
  • 消息隊列可以實現消息的隨機查詢, 消息不一定要以先進先出的次序讀取,也可以按消息的類型讀取

2. 原型

  1. #include <sys/msg.h> 
  2. // 創建或打開消息隊列:成功返回隊列ID,失敗返回-1 
  3. int msgget(key_t key, int flag); 
  4. // 添加消息:成功返回0,失敗返回-1 
  5. int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag); 
  6. // 讀取消息:成功返回消息數據的長度,失敗返回-1 
  7. int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag); 
  8. // 控制消息隊列:成功返回0,失敗返回-1 
  9. int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf); 

在以下兩種情況下,msgget將創建一個新的消息隊列:

  • 如果沒有與鍵值key相對應的消息隊列,并且flag中包含了IPC_CREAT標志位。
  • key參數為IPC_PRIVATE。

函數msgrcv在讀取消息隊列時,type參數有下面幾種情況:

  • type == 0,返回隊列中的第一個消息;
  • type > 0,返回隊列中消息類型為 type 的第一個消息;
  • type < 0,返回隊列中消息類型值小于或等于 type 絕對值的消息,如果有多個,則取類型值最小的消息。

可以看出,type值非 0 時用于以非先進先出次序讀消息。也可以把 type 看做優先級的權值。

3. 例子

msg_server:

  1. #include <stdio.h> 
  2. #include <stdlib.h> 
  3. #include <sys/msg.h> 
  4.  
  5. // 用于創建一個唯一的key 
  6. #define MSG_FILE "/etc/passwd" 
  7.  
  8. // 消息結構 
  9. struct msg_form { 
  10.  long mtype; 
  11.  char mtext[256]; 
  12. }; 
  13.  
  14. int main() 
  15.  int msqid; 
  16.  key_t key; 
  17.  struct msg_form msg; 
  18.   
  19.  // 獲取key值 
  20.  if((key = ftok(MSG_FILE,'z')) < 0
  21.  { 
  22.  perror("ftok error"); 
  23.  exit(1); 
  24.  } 
  25.  
  26.  // 打印key值 
  27.  printf("Message Queue - Server key is: %d.\n", key); 
  28.  
  29.  // 創建消息隊列 
  30.  if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) 
  31.  { 
  32.  perror("msgget error"); 
  33.  exit(1); 
  34.  } 
  35.  
  36.  // 打印消息隊列ID及進程ID 
  37.  printf("My msqid is: %d.\n", msqid); 
  38.  printf("My pid is: %d.\n", getpid()); 
  39.  
  40.  // 循環讀取消息 
  41.  for(;;)  
  42.  { 
  43.  msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回類型為888的第一個消息 
  44.  printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); 
  45.  printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); 
  46.  
  47.  msg.mtype = 999; // 客戶端接收的消息類型 
  48.  sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid()); 
  49.  msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); 
  50.  } 
  51.  return 0; 

msg_client:

  1. #include <stdio.h> 
  2. #include <stdlib.h> 
  3. #include <sys/msg.h> 
  4.  
  5. // 用于創建一個唯一的key 
  6. #define MSG_FILE "/etc/passwd" 
  7.  
  8. // 消息結構 
  9. struct msg_form { 
  10.  long mtype; 
  11.  char mtext[256]; 
  12. }; 
  13.  
  14. int main() 
  15.  int msqid; 
  16.  key_t key; 
  17.  struct msg_form msg; 
  18.  
  19.  // 獲取key值 
  20.  if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z')) < 0)  
  21.  { 
  22.  perror("ftok error"); 
  23.  exit(1); 
  24.  } 
  25.  
  26.  // 打印key值 
  27.  printf("Message Queue - Client key is: %d.\n", key); 
  28.  
  29.  // 打開消息隊列 
  30.  if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)  
  31.  { 
  32.  perror("msgget error"); 
  33.  exit(1); 
  34.  } 
  35.  
  36.  // 打印消息隊列ID及進程ID 
  37.  printf("My msqid is: %d.\n", msqid); 
  38.  printf("My pid is: %d.\n", getpid()); 
  39.  
  40.  // 添加消息,類型為888 
  41.  msg.mtype = 888
  42.  sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid()); 
  43.  msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); 
  44.  
  45.  // 讀取類型為777的消息 
  46.  msgrcv(msqid, &msg, 256, 999, 0); 
  47.  printf("Client: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); 
  48.  printf("Client: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); 
  49.  return 0; 

四、信號量

信號量(semaphore)與已經介紹過的 IPC 結構不同,它是一個計數器。信號量用于實現進程間的互斥與同步,而不是用于存儲進程間通信數據。

1. 特點

  • 信號量用于進程間同步,若要在進程間傳遞數據需要結合共享內存
  • 信號量基于操作系統的 PV 操作,程序對信號量的操作都是原子操作
  • 每次對信號量的 PV 操作不僅限于對信號量值加 1 或減 1,而且可以加減任意正整數
  • 支持信號量組

2. 原型

最簡單的信號量是只能取 0 和 1 的變量,這也是信號量最常見的一種形式,叫做二值信號量(Binary Semaphore)。而可以取多個正整數的信號量被稱為通用信號量。

Linux 下的信號量函數都是在通用的信號量數組上進行操作,而不是在一個單一的二值信號量上進行操作。

  1. #include <sys/sem.h> 
  2. // 創建或獲取一個信號量組:若成功返回信號量集ID,失敗返回-1 
  3. int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags); 
  4. // 對信號量組進行操作,改變信號量的值:成功返回0,失敗返回-1 
  5. int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
  6. // 控制信號量的相關信息 
  7. int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...); 

當semget創建新的信號量集合時,必須指定集合中信號量的個數(即num_sems),通常為1; 如果是引用一個現有的集合,則將num_sems指定為 0 。

在semop函數中,sembuf結構的定義如下:

  1. struct sembuf  
  2.  short sem_num; // 信號量組中對應的序號,0~sem_nums-1 
  3.  short sem_op; // 信號量值在一次操作中的改變量 
  4.  short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO 

五、共享內存

1. 特點

  • 共享內存是最快的一種 IPC,因為進程是直接對內存進行存取
  • 因為多個進程可以同時操作,所以需要進行同步
  • 信號量+共享內存通常結合在一起使用,信號量用來同步對共享內存的訪問

2. 原型

  1. #include <sys/shm.h> 
  2. // 創建或獲取一個共享內存:成功返回共享內存ID,失敗返回-1 
  3. int shmget(key_t key, size_t size, int flag); 
  4. // 連接共享內存到當前進程的地址空間:成功返回指向共享內存的指針,失敗返回-1 
  5. void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag); 
  6. // 斷開與共享內存的連接:成功返回0,失敗返回-1 
  7. int shmdt(void *addr);  
  8. // 控制共享內存的相關信息:成功返回0,失敗返回-1 
  9. int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf); 

當用shmget函數創建一段共享內存時,必須指定其 size;而如果引用一個已存在的共享內存,則將 size 指定為0 。

當一段共享內存被創建以后,它并不能被任何進程訪問。必須使用shmat函數連接該共享內存到當前進程的地址空間,連接成功后把共享內存區對象映射到調用進程的地址空間,隨后可像本地空間一樣訪問。

shmdt函數是用來斷開shmat建立的連接的。注意,這并不是從系統中刪除該共享內存,只是當前進程不能再訪問該共享內存而已。

shmctl函數可以對共享內存執行多種操作,根據參數 cmd 執行相應的操作。常用的是IPC_RMID(從系統中刪除該共享內存)。

 

責任編輯:趙寧寧 來源: 今日頭條
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