1、進程間通信簡述

進程間通信的幾種方式：無名管道、有名管道、消息隊列、共享內存、信號、信號量、套接字(socket)。

進程間通信是不同進程直接進行的一些接觸，這種接觸有簡單，有復雜。機制不同，復雜度也不同。通信是一個廣義上的意 義，不僅指大批量數據傳送，還包括控制信息的傳送，但是使用的方法都是大同小異的。

如圖所示進程不是孤立的，不同的進程需要進行信息的交互和狀態的傳遞等，因此需要進程間通信。

2、管道

管道分為無名管道和有名管道兩種方式。管道是一種半雙工的通信方式，數據只能單向流動，但是無名管道和有名管道的區別是無名管道只能在具有親緣關系的進程間通信，有名管道則是在無親緣關系進程間通信。進程的親緣關系通常是指父子進程關系。管道是Linux支持的最初Unix IPC形式之一，管道與管道之間通信其實就是一個文件，但它不是一個普通的文件，它不屬于某種文件系統，而是自立門戶，單獨構成一種文件系統而且只存在內存中。當一個進程向管道中寫的內容被管道另一端的進程讀出；寫入的內容每次都會被添加到管道緩沖區的末尾，并且每次都是從緩沖區的頭部讀出數據。如下圖所示。

那么，如何創建一條管道呢？下面，我們就來了解下FIFO函數。

FIFO不同于pipe函數，因為它提供了一個路徑名與之關聯，以FIFO的文件形式存在于文件系統中，這樣，即使與FIFO的創建進程不存在親緣關系的進程，只要可以訪問該路徑就能夠彼此通過FIFO互相通信，因此，通過FIFO不相關的進程也能交換數據。值得注意的是，FIFO嚴格遵循先進后出，和棧的原則一樣，對管道以及FIFO的讀總是從開始處返回數據，對它們的寫則把數據添加到末尾。它們不支持諸如lseek()等文件定位操作。

需要包含的頭文件如下：

#include
#include
#incldue
#include

FIFO函數創建：

函數原型：

int?mkfifo(const?char?*pathname,mode_t?mode);

函數返回值 ：

成功0，失敗-1

參數含義：

pathname為路徑名，創建管道的名字(該函數的第一個參數是一個普通的路徑名，也就是創建后FIFO的名字)。mode為創建fifo的權限(第二個參數與打開普通文件的open()函數中的mode參數相同)。

注：如果mkfido的第一個參數已經是一個已經存在的路徑名時，就會返回EEXIST錯誤，所以當我們調用的時候首先會檢查是否返回該錯誤，如果返回該錯誤那我們只需要直接調用打開FIFO的函數即可。

FIFO比pipe函數打開的時候多了一個打開操作open；如果當時打開操作時為讀而打開FIFO時，若已經有相應進程為寫而打開該FIFO，則當前打開操作將返回成功；否則，可能阻塞到有相應進程為寫而打開該FIFO；或者，成功返回。另一種情況就是為寫而打開FIFO時，若已經有相應進程為讀而打開該FIFO，則當前打開操作將成功返回；否則可能會阻塞直到有相應進程為讀而打開該FIFO；或者，返回ENIO錯誤。

下面我們使用FIFO實現進程間的通信。

(1)打開一個文件，管道的寫入端向文件寫入數據；管道的讀取端從文件中讀取出數據。

fifo_write.c

#include?
#include?
#include
#include
#include?
#include?

#define?P_FIFO??"txt"

int?main()
{
????int?fd;
????//要寫入有名管道的數據
????char?buf[20]?=?"hello?write_fifo";
????int?ret=0;
????//創建有名管道，并賦予訪問有名管道的權限
????ret?=?mkfifo(P_FIFO,0777);
????//創建失敗
????if(ret?????{
????????printf("create?named?pipe?failed.\n");
????????return?-1;
????}
????fd?=?open(P_FIFO,O_WRONLY);
????if(fd?????{
????????printf("open?failed.\n");
????????return?-2;
????}
????//寫入數據到有名管道
????//第一個參數為有名管道文件描述符
????//第二個參數為寫入有名管道的數據
????//第三個參數為寫入有名管道的數據長度
????write(fd,buf,sizeof(buf));
????//關閉有名管道
????close(fd);
????return?0;
}

fifo_read.c

#include?
#include?
#include
#include
#include?
#include?

#define?P_FIFO??"txt"

int?main()
{
????int?ret;
????int?fd;
????char?buf[20];
????//打開有名管道
????//第一個參數為有名管道文件路徑
????//第二個參數表明是以讀取方式并以非阻塞方式打開有名管道
????//O_RDONLY讀取模式
????//O_NONBLOCK非阻塞方式
????fd?=?open(P_FIFO,O_RDONLY);
????if(fd<0)
????{
????????printf("open?fail\n");
????????return?-1?;
????}
????//循環讀取有名管道
????while(1)
????{
????????memset(buf,0,sizeof(buf));
????????if(read(fd,buf,sizeof(buf))?==?0)
????????{
????????????printf("nodata.\n");
????????}
????????else
????????{
????????????printf("getdata:%s\n",buf);
????????????break;
????????}
???}
???close(fd);
???return?0;
}

下面先將fifo_write.c和fifo_read.c分別編譯成fifo_write和fifo_read兩個可執行程序：

接下來，先運行fifo_write，然后打開另一個終端，接著運行fifo_read，運行fifo_write的時候，可以看到程序阻塞在終端：

下面打開另外一個終端運行fifo_read

切換到另外一個終端，在終端輸入ls –l可以看到由于fifo_write中創建了管道文件txt，從前面的字串prwxr-xr-x中的p可以知道，這是一個管道文件，如下圖所示:

運行fifo_read，這時候，可以看到從管道中獲取的字符串hello write_fifo，如下圖所示：

管道讀取結束后，fifo_write這個程序也就不會在阻塞在終端了，如下圖所示：

寫管道程序還要注意，一旦我們創建了FIFO，就可以用open去打開它，可以使用open、read、close等去操作FIFO和pipe有相同之處，當打開FIFO時，非阻塞標志(O_NONBLOCK)將會對讀寫產生如下影響：

• 1、沒有使用O_NONBLOCK：訪問要求無法滿足時進程將阻塞。如試圖讀取空的FIFO，將導致進程阻塞；
• 2、使用O_NONBLOCK：訪問要求無法滿足時不阻塞，立即出錯返回，errno是ENXIO。

3、消息隊列

消息隊列(也叫做報文隊列)提供了一個進程向另一個進程發送一個數據塊的方法。每個數據塊都被認為含有一個類型，接收進程可以獨立地接收含有不同類型的數據結構。我們可以通過發送消息來避免命名管道的同步和阻塞問題。但是消息隊列與命名管道一樣，每個數據塊都有一個最大長度的限制。

打開或者創建消息隊列的內核持續性要求每個消息隊列都在系統范圍內對應唯一的鍵值，所以，要獲得一個消息隊列的描述字，只需要提供該消息隊列的鍵值即可。

消息讀寫操作非常簡單，對于開發人員來說，每個消息都類似如下的數據結構：

struct?msgbuf
{
?long?mtype;
?char?mtext[1];
};

3.1、msgget函數

該函數用來創建或者訪問一個消息隊列。

int?msgget(key_t?key,?int?msgflg);

與其他的IPC機制一樣，程序必須提供一個鍵來命名某個特定的消息隊列。msgflg是一個權限標志，表示消息隊列的訪問權限，它與文件的訪問權限一樣。msgflg可以與IPC_CREAT做或操作，表示當key所命名的消息隊列不存在時創建一個消息隊列，如果key所命名的消息隊列存在時，IPC_CREAT標志會被忽略，成功則返回一個以key命名的消息隊列的標識符(非零整數)，失敗時返回-1。

3.2、msgsnd函數

該函數用來向消息隊列發送一個消息。

int?msgsnd(int?msqid,?const?void?*msgp,?size_t?msgsz,?int?msgflg);

將發送的消息存儲在msgp指向的msgbuf結構中，消息大小由msgsz指定。對發送的消息來說，有意義的msgflg標準為IPC_NOWAIT，指明在消息隊列沒有足夠的空間容納要發送的消息時，msgsnd是否等待。造成msgsnd()等待的條件有兩種：當前消息的大小與當前消息隊列中的字節數之和超過了消息隊列的總容量；當前消息隊列的消息數不小于消息隊列的總容量，此時，雖然消息隊列中的消息數目并不多，但基本上都只有一個字節。調用成功的時候返回0，失敗返回-1.

3.3、msgrcv函數

該函數用來從一個消息隊列獲取消息。

int?msgrcv(int?msqid,?void?*msgp,?size_t?msgsz,?long?msgtyp,?int?msgflg);

msgrcv函數前面三個參數和msgsnd函數的三個參數一樣不做講解。msgtype可以實現一種簡單的接收優先級。如果msgtype為0，就獲取隊列中的第一個消息。如果它的值大于零，將獲取具有相同消息類型的第一個信息。如果它小于零，就獲取類型等于或小于msgtype的絕對值的第一個消息。msgflg用于控制當隊列中沒有相應類型的消息可以接收時將發生的事情。當調用成功時，該函數返回放到接收緩存區中的字節數，消息被復制到由msg_ptr指向的用戶分配的緩存區中，然后刪除消息隊列中對應的消息；失敗則返回-1.

3.4、msgctl函數

該函數用來控制消息隊列。

int?msgctl(int?msgid,?int?command,?struct?msgid_ds?*buf);

該系統調用對由msqid標識的消息隊列執行cmd操作，共有三種cmd操作：

• IPC_STAT：把msgid_ds結構中的數據設置為消息隊列的當前關聯值，即用消息隊列的當前關聯值覆蓋msgid_ds的值。
• IPC_SET：如果進程有足夠的權限，就把消息列隊的當前關聯值設置為msgid_ds結構中給出的值。
• IPC_RMID：刪除消息隊列。buf是指向msgid_ds結構的指針，它指向消息隊列模式和訪問權限的結構。成功返回0，否則返回-1。

通過上面的函數我們清楚如何去創建一個消息隊列那我們簡單的來看一個案例。

(1)創建一條消息隊列msg_get.c

#include?
#include?
#include?

int?main(void)
{
?int??msgid?;?
?//創建消息隊列，注意，創建后面要有IPC_CREAT標志
?msgid?=?msgget(0x123456?,?IPC_CREAT?|?0777);
?if(msgid??{
??perror("msgget?fail");
??return?-1?;?
?}
?printf("success?...?!?\n");
?return?0??;
}

運行結果：

那消息隊列呢？怎么查看？使用ipcs –q命令可以查看到剛剛我們創建的消息隊列0x123456。

(2)向消息隊列發送消息 msgsend.c

#include?
#include?
#include?
#include?

int?main(void)
{
????int?msgid?;
????msgid?=?msgget(0x123456?,?0);
????if(msgid?==?-1)
????{
????????perror("create?msg?queue?fail");
????????return?-1?;
????}
????printf("open?msg?success?...?\n");
????int?ret?;
????char?*p?=?"hello?world"?;
???//發送hello?world到消息隊列0x123456
???//在這里可以直接發送
????ret?=?msgsnd(msgid?,?p?,?strlen(p)?,?0);
????if(ret?==?-1)
????{
????????perror("send?msgid?fail");
????????return?-2?;
????}
????return?0?;
}

運行結果：

使用ipcs –p命令查看：

(3)獲取消息隊列中的信息 msgrecv.c 在上面msgsend.c的基礎上，這個例程將上面發送到消息隊列的信息讀取回來。

#include?
#include?
#include?
#include?

int?main(void)
{
????int?msgid?;
????msgid?=?msgget(0x123456?,?0);
????if(msgid?==?-1)
????{
????????perror("create?msg?queue?fail");
????????return?-1?;
????}
????printf("open?msg?success?...?\n");
????int?ret?;
????char?buffer[1024]?=?{0};
????//接收消息隊列中的信息
????ret?=?msgrcv(msgid?,?buffer?,?11?,?0?,?0);
????if(ret?==?-1)
????{
????????perror("recv?msgid?fail");
????????return?-2?;
????}
????printf("ret:?%d??buffer:%s?\n"?,?ret?,?buffer);
????return?0?;
}

運行結果，如圖所示:

那么，如何刪除一個消息隊列呢？先用ipcs –q查看消息隊列，如圖所示：

有兩種方法：

• 1、使用命令ipcrm –q msqid 刪除消息隊列，如圖所示

• 2、使用msgctl函數，寫IPC_RMID標志刪除消息隊列

(4)刪除消息隊列 msgrm.c

#include?
#include?
#include?

int?main(void)
{
????int??msgid?;
????msgid?=?msgget(0x123456?,?0);
????if(msgid?????{
????????perror("msgget?fail");
????????return?-1?;
????}
????printf("success?...?!?msgid:%d?\n"?,?msgid);
????//寫IPC_RMID標志
????if(msgctl(msgid?,?IPC_RMID?,?NULL)?==?0)
????{
????????printf("remove?success?...?\n");
????}
????return?0??;
}

運行結果，如圖所示：

使用系統提供的API的方式，可以將消息隊列刪除。消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節流以及緩沖區大小受限等缺點，相對于管道通信有很大的改觀，而且消息隊列對數據的順序處理也是非常有條理性的不會產生混雜性。

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總結

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