Linux 常见的六大 IPC 通信方式

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcessCommunication）。今天我们来看一下，Linux下常见的六大IPC通信方式。

1、信号

信号是Unix/Linux系统在一定条件下生成的事件。信号是一种异步通信机制，进程不需要执行任何操作来等待信号的到达。信号异步通知接收信号的进程发生了某个事件，然后操作系统将会中断接收到信号的进程的执行，转而去执行相应的信号处理程序。

• (1)注册信号处理函数

#include<signal.h>
     /*typedefvoid (*sighandler_t)(int);  sighandler_t signal(int signum,sighandler_thandler);*/
    
    void (*signal(intsignum, void (*handler)(int)))(int);  //SIG_IGN && SIG_DFL
    
    int sigaction(int signum, const struct sigaction*act,struct sigaction *oldact);
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• (2)发送信号

#include<signal.h>
    intkill(pid_t pid,int sig); //#include<sys/types.h> 
    intraise(intsig);            //kill(getpid(),sig);
    unsignedint alarm(unsigned int seconds); //(#include<unistd.h>) seconds秒后，向进程本身发送SIGALRM信号。
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• (3)信号集 信号集被定义为:

typedef struct {unsigned long sig[_NSIG_WORDS];}sigset_t;
    * intsigaddset(sigset_t *set,int sig);
    * intsigemptyset(sigset_t *set);
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2、管道(Pipe)

管道用来连接不同进程之间的数据流。

• (1)在两个程序之间传递数据的最简单的方法是使用popen()和pclose()函数:

#include<stdio.h>
    FILE *popen(const char *command,const char *open_mode);
    int pclose(FILE *stream);
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popen()函数首先调用一个shell，然后把command作为参数传递给shell。这样每次调用popen()函数都需要启动两个进程；但是由于在 Linux 中，所有的参数扩展(parameter expansion)都是由 shell 执行的，这样command中包含的所有参数扩展都可以在command程序启动之前完成。

• (2)pipe()函数:

int pipe(int pipefd[2]);
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popen()函数只能返回一个管道描述符，并且返回的是文件流(filestream)，可以使用函数fread()和fwrite()来访问。pipe()函数可以返回两个管道描述符:pipefd[0]和pipefd[1]，任何写入pipefd[1]的数据都可以从pipefd[0]读回；pipe()函数返回的是文件描述符(file descriptor)，因此只能使用底层的read()和write()系统调用来访问。pipe()函数通常用来实现父子进程之间的通信。

• (3)命名管道:FIFO

intmkfifo(const char *fifo_name, mode_t mode);
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前面两种管道只能用在相关的程序之间，使用命名管道可以解决这个问题。在使用open()打开FIFO时，mode中不能包含O_RDWR。mode最常用的是O_RDONLY，O_WRONLY与O_NONBLOCK的组合。O_NONBLOCK影响了read()和write()在FIFO上的执行方式。

3、信号量(Semaphores)

System V的信号量集表示的是一个或多个信号量的集合。内核为每个信号量集维护一个semid_ds数据结构，而信号量集中的每个信号量使用一个无名结构体表示，这个结构体至少包含以下成员:

struct{
        unsigned short semval;//信号量值，总是>=0
        pid_t sempid;  //上一次操作的pid
       …
    };
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• (1)创建或访问信号量

intsemget(key_t key,int nsems,int flag); 
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nsems指定信号量集中信号量的个数，如果只是获取信号量集的标识符(而非新建)，那么nsems可以为0。flag的低9位作为信号量的访问权限位，类似于文件的访问权限;如果flag中同时指定了IPC_CREAT和IPC_EXCL，那么如果key已与现存IPC对象想关联的话，函数将会返回EEXIST错误。例如，flag可以为IPC_CREAT|0666。

• (2)控制信号量集

int semctl(intsemid,int semnum,int cmd,union semun arg);
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对semid信号量集合执行cmd操作;cmd常用的两个值是:SETVAL初始化第semnum个信号量的值为arg.val;IPC_RMID删除信号量。

• (3)对一个或多个信号量进行操作

int semop(intsemid,struct sembuf *sops,unsigned nsops);
    struct sembuf{
            unsignedshort sem_num;  //信号量索引
            short   sem_op;     //对信号量进行的操作，常用的两个值为-1和+1，分别代表P、V操作
            short  sem_flag;   //比较重要的值是SEM_UNDO:当进程结束时，相应的操作将被取消；同时，如果进程结束时没有释放资源的话，系统会自动释放
    };
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4、共享内存

共享内存允许两个或多个进程共享一定的存储区，因为不需要拷贝数据，所以这是最快的一种IPC。

• (1)创建或访问共享内存

intshmget(key_t key,size_t size,int shmflg);
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• (2)附加共享内存到进程的地址空间

void*shmat(int shmid,const void *shmaddr,int shmflg);// shmaddr通常为NULL，由系统选择共享内存附加的地址;shmflg可以为SHM_RDONLY
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• (3)从进程的地址空间分离共享内存

* intshmdt(const void *shmaddr); //shmaddr是shmat()函数的返回值
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• (4)控制共享内存

intshmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
        struct shmid_ds{
          structipc_perm shm_perm;
          …
      }; 
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cmd的常用取值有:

(a)IPC_STAT获取当前共享内存的shmid_ds结构并保存在buf中

(b)IPC_SET使用buf中的值设置当前共享内存的shmid_ds结构

(c)IPC_RMID删除当前共享内存

5、消息队列

消息队列保存在内核中，是一个由消息组成的链表。

• (1)创建或访问消息队列

int msgget(key_t key,int msgflg);
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• (2)操作消息队列

intmsgsnd(int msqid,const void *msg,size_t nbytes,int msgflg);
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msg指向的结构体必须以一个longint成员开头，作为msgrcv()的消息类型，必须大于0。nbytes指的是msg指向结构体的大小，但不包括longint部分的大小 ssize_t msgrcv(intmsqid,void *msg,size_t nbytes,long msgtype,int msgflg); 如果msgtype是0，就返回消息队列中的第一个消息;如果是正整数，就返回队列中的第一个该类型的消息;如果是负数，就返回队列中具有最小值的第一个消息，并且该最小值要小于等于msgtype的绝对值。

• (3)控制消息队列

int msgctl(intmsqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);
        struct msqid_ds{
        struct ipc_permmsg_perm;
        …
       };

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6、Socket

套接字(Socket)是由Berkeley在BSD系统中引入的一种基于连接的IPC，是对网络接口(硬件)和网络协议(软件)的抽象。它既解决了无名管道只能在相关进程间单向通信的问题，又解决了网络上不同主机之间无法通信的问题。

  套接字有三个属性:域(domain)、类型(type)和协议(protocol)，对应于不同的域，套接字还有一个地址(address)来作为它的名字。

  域(domain)指定了套接字通信所用到的协议族，最常用的域是AF_INET，代表网络套接字，底层协议是IP协议。对于网络套接字，由于服务器端有可能会提供多种服务，客户端需要使用IP端口号来指定特定的服务。AF_UNIX代表本地套接字，使用Unix/Linux文件系统实现。

  IP协议提供了两种通信手段:流(streams)和数据报(datagrams)，对应的套接字类型(type)分别为流式套接字和数据报套接字。流式套接字(SOCK_STREAM)用于提供面向连接、可靠的数据传输服务。该服务保证数据能够实现无差错、无重复发送，并按顺序接收。流式套接字使用TCP协议。数据报套接字(SOCK_DGRAM)提供了一种无连接的服务。该服务并不能保证数据传输的可靠性，数据有可能在传输过程中丢失或出现数据重复，且无法保证顺序地接收到数据。数据报套接字使用UDP协议。

  一种类型的套接字可能可以使用多于一种的协议来实现，套接字的协议(protocol)属性用于指定一种特定的协议。   

• (1)创建套接字

int socket(int  domain,int  type,int  protocol);
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对于SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM而言，分别只有一种协议支持这种类型的套接字。因此protocol可以为0，表示默认的协议。

• (2) 绑定套接字

int bind(int  sockfd,const  struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);//将无名套接字sockfd与addr绑定(bind)
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• (3)监听套接字

int listen(int  sockfd,int  backlog);//backlog限定了等待服务的队列的最大长度
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• (4)等待接受连接

int accept(int  sockfd,struct  sockaddr *addr,socklen_t  *addrlen);
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当客户端程序尝试连接sockfd套接字时，accept返回一个新的套接字与客户端进行通信。如果addr不是NULL，那么客户端的地址将会保存在addr所指向的结构体中；调用accept()前必须先将addrlen初始化为addr所指向结构体的大小，accept()返回以后,addrlen将会被设置成客户端套接字地址结构体的实际大小。然后，通过对accept()返回的套接字执行read()和write()操作即可实现与客户端的简单的通信。   

• (5)建立连接(客户端)

int connect(int  sockfd,const  struct sockaddr *addr,socklen_t addrlen);
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connect()在无名套接字sockfd和addr之间建立连接。addr指向的结构体中可以包含服务器的IP地址和端口号等信息。

• (6)数据传输

ssize_t send(int sockfd,const void *buf,size_t  len,int  flags);
  
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len,int flags);
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• (7)关闭套接字

int close(int  fd);
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• (8)主机字节序和网络字节序的转换

#include <netinet/in.h>
  
unsigned long int  htonl(unsigned  long int  hostlong);  //host to  network,long
  
unsigned short int  htons(unsigned  short int  hostshort);
  
unsigned long  int ntohl(unsigned long int  netlong);
  
unsigned short int  ntohs(unsigned  short int  netshort);
  
// long型函数用来转换sockaddr_in.in_addr.s_addr；
// short型函数用来转换sockaddr_in.sin_port。
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