利用Linux IPC实现程序间通信-猿码集

IPC简介

IPC（Inter-process communication）是指两个或多个进程之间传递和共享信息的机制。在Linux系统中，有多种方法可以实现进程间通信，如通过管道、消息队列、共享内存等。

1. 管道（Pipe）

1.1 概述

管道是Linux中最简单、最基本的IPC机制之一。它允许一个进程将输出直接传递给另一个进程作为输入。

1.2 创建管道

可以使用pipe()函数创建一个管道。该函数接受一个整数数组作为参数，返回两个文件描述符，一个表示读取数据的描述符，一个表示写入数据的描述符。


#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

1.3 管道通信

使用管道进行进程间通信时，数据传输是单向的，只能从管道的写入端向读取端传递。

对于父进程和子进程之间的通信，通常的操作是先用fork()函数创建一个子进程，然后分别关闭不需要的文件描述符，一个进程使用管道的读取端，另一个进程使用管道的写入端。


#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    int pipefd[2];
    char buf[256];
    pipe(pipefd);
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        // 子进程
        close(pipefd[0]);  // 关闭读取端
        printf("请输入一段文字：\n");
        fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        write(pipefd[1], buf, sizeof(buf));
        close(pipefd[1]);
    } else if (pid == -1) {
        printf("创建子进程失败\n");
    } else {
        // 父进程
        close(pipefd[1]);  // 关闭写入端
        read(pipefd[0], buf, sizeof(buf));
        printf("子进程输入的内容是：%s\n", buf);
        close(pipefd[0]);
    }
    return 0;
}

上述代码首先使用pipe()函数创建了一个管道，然后使用fork()函数创建了一个子进程。父进程关闭了管道的写入端，只负责读取子进程写入的数据；子进程关闭了管道的读取端，只负责将用户的输入写入管道。运行代码后，父进程会输出子进程输入的内容。

2. 消息队列（Message Queue）

2.1 概述

消息队列是一种通过消息传递进行进程间通信的机制。它通过在内核中创建一个消息队列来实现进程之间的信息传递。

2.2 创建消息队列

可以使用msgget()函数创建一个消息队列。该函数接受两个参数，一个表示消息队列的键值，一个是创建标志。


#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);

2.3 发送和接收消息

使用消息队列进行通信时，可以使用msgsnd()函数向队列中发送消息，使用msgrcv()函数从队列中接收消息。


#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
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);

其中，msqid是消息队列的标识符，msgp是指向消息的指针，msgsz是消息的大小，msgflg是发送或接收消息的标志。

接收消息时，可以设置msgtyp参数为特定的值，只接收特定类型的消息。如果msgtyp参数为0，则从队列中接收第一个消息。

下面是一个示例代码，用于发送和接收消息：


#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[256];
};
int main() {
    key_t key;
    int msqid;
    struct msgbuf buf;
    key = ftok(".", 'A');
    msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    memset(&buf, 0, sizeof(buf));
    buf.mtype = 1;
    strncpy(buf.mtext, "Hello, message queue!", sizeof(buf.mtext));
    msgsnd(msqid, &buf, sizeof(buf.mtext), 0);
    msgrcv(msqid, &buf, sizeof(buf.mtext), 1, 0);
    printf("Received message: %s\n", buf.mtext);
    msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}

上述代码首先使用ftok()函数生成一个键值，然后使用该键值使用msgget()函数创建一个消息队列。接着使用msgsnd()函数向队列中发送一条消息。然后使用msgrcv()函数从队列中接收消息，并输出接收到的消息内容。最后使用msgctl()函数删除消息队列。

3. 共享内存（Shared Memory）

3.1 概述

共享内存是一种进程间通信机制，它允许多个进程共享同一块物理内存区域，从而可以直接访问和修改这块共享内存。

3.2 创建共享内存

使用shmget()函数创建一个共享内存区域。该函数接受三个参数，一个是键值，一个是共享内存大小，一个是创建标志。


#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

3.3 使用共享内存

使用共享内存进行通信时，可以使用shmat()函数将共享内存区域连接到进程的地址空间中，使用shmdt()函数将共享内存从进程中分离。


#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);

连接共享内存时，可以设置shmaddr参数为0，表示让操作系统选择一个可用的地址连接共享内存。

下面是一个示例代码，用于演示如何创建和使用共享内存：


#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
    key_t key;
    int shmid;
    char *shmaddr;
    key = ftok(".", 'M');
    shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);
    shmaddr = shmat(shmid, 0, 0);
    strcpy(shmaddr, "Hello, shared memory!");
    printf("Shared memory content: %s\n", shmaddr);
    shmdt(shmaddr);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}

上述代码首先使用ftok()函数生成一个键值，然后使用该键值使用shmget()函数创建一个共享内存区域。接着使用shmat()函数连接共享内存，并将一段字符串写入共享内存中。然后使用printf()函数输出共享内存的内容。最后使用shmdt()函数分离共享内存，使用shmctl()函数删除共享内存。

总结

本文介绍了Linux下利用IPC实现进程间通信的几种方法：管道、消息队列和共享内存。管道基于文件操作实现，适用于有父子关系的进程间通信；消息队列可以实现不相关的进程间通信，通过消息传递实现数据的发送和接收；共享内存允许多个进程直接访问同一块内存区域，实现数据共享。

IPC是Linux系统中实现进程间通信的重要机制之一，能够满足不同进程间数据传输和共享的需求。学习和掌握这些IPC方法对于编写复杂的多进程程序非常重要。

利用Linux IPC实现程序间通信