进程间通信（一）

IPC

在之前我们也有涉及到进程间通信的知识点，比如fork或exec或父进程读取子进程的退出码等，但是这种通信方式很有限，今天来学习进程间通信的其他技术——IPC（InterProcess Communication）。
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。

管道通信原理

管道，通常指无名管道，是UNIX系统IPC中最古老的形式

特点

  1. 半双工（类似于对讲机，即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端，数据单向传递。管道中的数据读走就没有了。
  2. 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（父子进程或者兄弟进程之间）。
  3. 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

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。当我们需要关闭管道时，只需要将两个文件描述符关闭close即可。

利用管道实现进程间通信

实现父进程写入，子进程读取：

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

int main(){
        int fd[2];
        pid_t pid;
        char buf[128] = {'\0'};

        //int pipe(int pipefd[2]);
        if(pipe(fd) == -1){
                printf("create pipe fail!\n");
        }

        pid = fork();

        if(pid < 0){
                printf("create child fail!\n");
        }else if(pid > 0){      //父进程
                printf("this is father\n");
                close(fd[0]);
                write(fd[1],"hello world",strlen("hello world"));
                wait(NULL);
        }else{  //子进程
                printf("this is child\n");
                close(fd[1]);
                read(fd[0],buf,128);

                printf("read from father:%s\n",buf);
                exit(0);
        }
        return 0;
}

父进程在写入之前要将负责读的fd[0]关闭，子进程在读之前要将负责写的fd[1]关闭。无名管道使用比较简单，只需要分清楚fd[0]是负责读,fd[1]是负责写即可。相对来说无名管道的功能也比较单一，因此我们引入有名管道。

命名管道FIFO

FIFO也称命名管道，是一种文件类型

特点

  1. FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同
  2. FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

原型

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

其中的mode参数于open参数中的mode相同。一旦创建了一个FIFO，就可以用一般的文件IO函数操作它。
当open一个FIFO时，是否设置非阻塞标志(O_NONBLOCK)的区别：

  1. 若没有指定O_NONBLOCK（默认），只读open要阻塞到某个其他进程为写而打开此FIFO。类似的，只写open要阻塞到某个其他进程为读而打开它。
  2. 若指定了O_NONBLOCK，则只读open立即返回。而只写open将出错返回-1.如果没有进程已经为读而打开该FIFO，其errno置ENXIO。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>

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

int main(){
        if((mkfifo("./file",0600) == -1) && errno == EEXIST){	//创建失败，且原因是由于文件已经存在
                printf("create fifo fail!\n");
                perror("why");
        }
        return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
我们可以利用open打开我们创建的FIFO：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

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

int main(){
        if((mkfifo("./file",0600) == -1) && errno != EEXIST){
                printf("create fifo fail!\n");
                perror("why");
        }
        int fd = open("./file",O_RDONLY);
        printf("open success!\n");
        return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
无法运行到printf语句，原因是当我们使用open打开FIFO时，默认使用非阻塞标志，当我们以只读的方式打开该FIFO时，它会一直阻塞，直到其他进程以写的方式打开该FIFO，因此我们需要编写一个以写的方式打开该FIFO的程序：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

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

int main(){
        int fd = open("./file",O_WRONLY);
        printf("open success!\n");

首先运行read
在这里插入图片描述
再打开一个终端，同时运行write
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
此时程序成功的跑了起来。
接下去，可以通过read和write函数进行数据的交互：
读进程：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

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

int main(){
        int nread;
        char readBuf[30] = {'\0'};

        if((mkfifo("./file",0600) == -1) && errno != EEXIST){
                printf("create fifo fail!\n");
                perror("why");
        }
        int fd = open("./file",O_RDONLY);
        printf("open success!\n");

        nread = read(fd,readBuf,30);
        printf("read %d byte data from fifo,context:%s\n",nread,readBuf);

        close(fd);
        return 0;
}

写进程：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

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

int main(){
        char *str = "message from fifo";

        int fd = open("./file",O_WRONLY);
        printf("open success!\n");

        write(fd,str,strlen(str));

        close(fd);
        return 0;
}

同时运行./read和./write运行结果：
./read
open success!
read 17 byte data from fifo,context:message from fifo

消息队列

消息队列，时消息的链表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。

特点

  1. 消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
  2. 消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
  3. 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。

原型

#inlcude <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);

具体参数意义接键：消息队列函数(msgget、msgctl、msgsnd、msgrcv)及其范例

msgGet：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
//int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

struct msgbuf {
        long mtype;       /* message type, must be > 0 */
        char mtext[128];    /* message data */
};


int main(){
        struct msgbuf readBuf;

        int msgId = msgget(0x1234,IPC_CREAT|0777);	///0777可读可写可执行
        if(msgId == -1){
                printf("get que fail!\n");
        }

        msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),888,0);//msgflag=0阻塞式接收消息，没有该消息就阻塞等
待
        printf("read data from que:%s\n",readBuf.mtext);
        return 0;
}

msgSnd：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
//int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

struct msgbuf {
        long mtype;       /* message type, must be > 0 */
        char mtext[128];    /* message data */
};


int main(){
        struct msgbuf sendBuf = {888,"data frmo que"};

        int msgId = msgget(0x1234,IPC_CREAT|0777);
        if(msgId == -1){
                printf("get que fail!\n");
        }

        msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);
        return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
同时我们也可以让send和get同时收发数据：
msgGet.c:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
//int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

struct msgbuf {
        long mtype;       /* message type, must be > 0 */
        char mtext[128];    /* message data */
};


int main(){
        struct msgbuf readBuf;
        struct msgbuf sendBuf = {988,"thank for your message"};

        int msgId = msgget(0x1234,IPC_CREAT|0777);
        if(msgId == -1){
                printf("get que fail!\n");
        }

        msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),888,0);//msgflag=0阻塞式接收消息，没有该消息就阻塞等
待
        printf("read data from que:%s\n",readBuf.mtext);
        msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);


        return 0; 
}

msgSnd.c:

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

//int msgget(key_t key, int msgflg);
//int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
//ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,int msgflg);
//int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

struct msgbuf {
        long mtype;       /* message type, must be > 0 */
        char mtext[128];    /* message data */
};


int main(){
        struct msgbuf sendBuf = {888,"data frmo que"};
        struct msgbuf readBuf;
        int msgId = msgget(0x1234,IPC_CREAT|0777);
        if(msgId == -1){
                printf("get que fail!\n");
        }

        msgsnd(msgId,&sendBuf,strlen(sendBuf.mtext),0);

        msgrcv(msgId,&readBuf,sizeof(readBuf.mtext),988,0);
        printf("receive data frmo get:%s\n",readBuf.mtext);

        return 0;
}

运行结果：
./get
read data from que:data frmo que
./send
receive data frmo get:thank for your message

键值key生成和消息队列移除

系统建立IPC通讯（消息队列、信号量和共享内存）时必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

因此我们可以利用ftok来修改之前代码，使得代码看起来更加规范，更加高大上：

key_t key;
key = ftok(".",12);
printf("key = %x\n",key);
//在send和get代码中同时加入这段初始化定义即可，两段代码的key值要保持一致才能进行数据交互

运行结果：
./get
key = c056491
read data from que:data frmo que

./send
key = c056491
receive data frmo get:thank for your message

我们一次交互信息会用到一个key也就是创建了一个新的消息队列，很多队列我们可能使用一次之后就不会再用，留在系统中，因此我们可以考虑将其移除，此时可以用到msgctl：

msgctl

*int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds buf);
cmd:我们此时要用的时IPC_RMID（将消息队列中的链表清除）
只需在上述两段代码的最后加入msgctl(msgId,IPC_RMID,NULL);即可完成消息队列的清除。

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