Linux进程间通信方式

进程能够单独运行并且完成一些任务，但是也经常免不了和其他进程传输数据或互相通知消息，即需要进行通信，本文将简单介绍一些进程之间相互通信的技术—进程间通信（InterProcess Communication，IPC）。由于篇幅有限，本文不会对每一种进行详细介绍。

概览

进程间通信常见方式如下：

• 管道
• FIFO
• 消息队列
• 信号量
• 共享内存
• UNXI域套接字
• 套接字（Socket）

管道

管道是一种古老的IPC通信形式。它有两个特点：

• 半双工，即不能同时在两个方向上传输数据。有的系统可能支持全双工。
• 只能在父子进程间。经典的形式就是管道由父进程创建，进程fork子进程之后，就可以在父子进程之间使用了。

使用popen函数和pclose函数结合来执行系统命令，就用到了管道，它们声明如下：

FILE *popen(const char *command,const char *type);
int pclose(FILE *stream);

system()函数虽然也能够执行系统命令，但是无法获取执行状态码，而执行系统命令本质上就需要创建子进程来完成，因此利用管道可以很方便的获取子进程的输出内容。本文不详细展开。

我们看一个简单的使用管道的例子，这里使用了pipe函数来创建管道：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#defineMAX_LEN 128
int main(void)
{
    /*0为读，1为写*/
    int fd[2] = {0}; //描述符
    pid_t pid = 0;
    char line[MAX_LEN] = {0};
    int n = 0;
    
    /*创建管道，需要传入两个文件描述符*/
    if(pipe(fd) < 0)
    {
        perror("create pipe failed\n");
        return -1;
    }
    /*fork子进程*/
    if((pid = fork()) < 0)
    {
        perror("fork failed\n");
        return -1;
    }
    /*父进程*/
    else if(pid > 0)
    {
        /*关闭管道的写描述符*/
        close(fd[1]);
        
        /*从管道读取数据*/
        n = read(fd[0],line,MAX_LEN);
        printf("read %d bytes from pipe :%s\n",n,line);
        
    }
    /*子进程*/
    else
    {
        /*关闭管道的读描述符*/
        close(fd[0]);
        /*向管道写入数据*/
        write(fd[1],"www.yanbinghu.com",sizeof("www.yanbinghu.com"));
    }
    return 0;
}

在程序中，我们创建了一个管道，父进程关闭了写通道，子进程关闭读通道；子进程向管道内写入字符串，而父进程从管道中读取字符串并输出。

运行结果：

read 18 bytes from pipe :www.yanbinghu.com

FIFO

FIFO也被称为命名管道，与管道不同的是，不相关的进程也能够进行数据交换。

涉及FIFO操作主要函数为：

int mkfifo(const char *path, mode_t mode);

而FIFO也常常有以下两个用途：

• 无需创建中间临时文件，复制输出流
• 多客户-服务进程应用中，通过FIFO作为汇聚点，传输客户进程和服务进程之间的数据

我们看一个简单的例子，写进程代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<errno.h>
#include<fcntl.h>
#defineFIFO"/tmp/fifo"
#defineMAX_LEN 128
int main(void)
{
    int writeFd;
    char line[MAX_LEN] = {0};
    if(mkfifo(FIFO,S_IRUSR|S_IWUSR) < 0 && (errno != EEXIST))
    {
         perror("make fifo failed:");
         return -1;
    }
    /*关闭管道的读描述符*/
    writeFd = open(FIFO,O_WRONLY,0);
    /*向管道写入数据*/
    write(writeFd,"www.yanbinghu.com",sizeof("www.yanbinghu.com"));
    close(writeFd);
    return 0;
}

它首先创建了一个FIFO，并且打开后，往里面写入字符串，然后关闭退出。

读进程代码如下：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<errno.h>
#include<fcntl.h>
#defineFIFO"/tmp/fifo"
#defineMAX_LEN 128
int main(void)
{
    int readFd,n;
    char line[MAX_LEN] = {0};
    /*打开FIFO，这里打开可能失败，应该要对返回值处理*/
    readFd = open(FIFO,O_RDONLY,0);
    /*从FIFO读取数据*/

    n = read(readFd,line,MAX_LEN);
    printf("read %d bytes from pipe :%s\n",n,line);
    close(readFd);
    /*删除FIFO*/
    unlink(FIFO);
    return 0;
}

它先打开一个已知的FIFO，然后从FIFO中读取数据。

在一个终端先运行写进程，然后运行读进程，结果如下：

read 18 bytes from pipe :www.yanbinghu.com

我们可以看到，两个没有亲缘关系的进程可以通过FIFO进行通信。

消息队列

消息队列可以认为是一个消息链表，存储在内核中，进程可以从中读写数据。与管道和FIFO不同，进程可以在没有另外一个进程等待读的情况下进行写。另外一方面，管道和FIFO一旦相关进程都关闭并退出后，里面的数据也就没有了，但是对于消息队列，一个进程往消息队列中写入数据后退出，另外一个进程仍然可以打开并读取消息。消息队列与后面介绍的UNIX域套接字相比，在速度上没有多少优势。

信号量

信号量是一个计数器，它主要用在多个进程需要对共享数据进行访问的时候。考虑这一的情况，不能同时有两个进程对同一数据进行访问，那么借助信号量就可以完成这样的事情。

它的主要流程如下：

• 检查控制该资源的信号量
• 如果信号量值大于0，则资源可用，并且将其减1，表示当前已被使用
• 如果信号量值为0，则进程休眠直至信号量值大于0

也就是说，它实际上是 提供了一个不同进程或者进程的不同线程之间访问同步的手段 。

共享内存

共享内存允许多个进程共享一个给定的存储区，由于它们是共享一块内存数据，因此其速度非常快。但是需要另外提供手段来保证共享内存的同步访问，例如它可以用到前面所提到的信号量来实现访问同步。

UNIX域套接字

UNIX域套接字和套接字很相似，但是它有更高的效率，因为它不需要执行协议处理，例如计算校验和，发送确认报文等等，它仅仅复制数据。

当然，它也只适用于同一台计算机上的进程间通信。

例如 redis 服务配置unixsocket启动后，通过redis-cli的-s参数就可以指定UNIX域套接字，连接到redis服务器。

$ redis-cli -s /tmp/redis.sock
redis /tmp/redis.sock>

它会比使用网络套接字的速度要快。

网络套接字

这个不用多说，它利用网络进行通信，与前面所提到的通信方式不同的是，它 能用于不同计算机之间的不同进程间通信 。

总结

本文简单介绍了进程间通信的常见方式，其中对管道和命名管道我们使用了一个例子来简单说明，因为我们可能会经常见到它。对于FIFO，最后一个引用它的进程终止时，留在FIFO的数据也将会被删除，而对于消息队列却不是这样，它会一直留到被显示删除或者系统自举，另外消息队列于其他方式相比并没有特别的优势。而信号量实际上常用于共享数据的同步访问。共享内存在进程间传递数据非常高效，但是系统没有对访问进行同步，因此还需要另外实现数据的访问同步。套接字（socket）是应该目前应用最广泛的进程间通信方式。

本文仅做简单介绍，实际内容远不止此。

参考：

• 《Unix环境高级编程》
• 《unix网络编程卷2：进程间通信》
• 《深入 Linux 内核架构》