五分钟读懂Linux进程间通信（IPC）技术

后端

2023-07-05 20:17:47

Linux进程间通信（IPC）

解锁进程协作的多种方式

在计算机操作系统中，进程间通信（IPC）扮演着至关重要的角色，它让不同进程携手协作，分享资源，交换数据。Linux作为一款广受欢迎的操作系统，提供了多种IPC方法，每种方法各有其独特的功能和使用场景。

Linux IPC的常用途径

管道

管道是一种最常用的IPC方法，可分为匿名管道和命名管道。匿名管道是临时性的，只限于父子进程之间的数据传输。命名管道则是持久性的，允许非父子进程间的数据交换。

代码示例：

// 匿名管道
int pipe_fds[2];
if (pipe(pipe_fds) == -1) {
  perror("pipe");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 命名管道
const char* pipe_name = "/tmp/my_pipe";
if (mkfifo(pipe_name, 0666) == -1) {
  perror("mkfifo");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

消息队列

消息队列是一种基于消息的IPC方法。消息队列由内核管理，进程可以向队列发送消息，也可以从队列读取消息。消息队列的优势在于实现了异步通信，发送消息的进程不必等待接收消息的进程就绪。

代码示例：

// 创建消息队列
int msqid = msgget(IPC_PRIVATE, IPC_CREAT | 0666);
if (msqid == -1) {
  perror("msgget");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 向消息队列发送消息
struct msgbuf {
  long mtype;
  char mtext[100];
};
struct msgbuf message;
message.mtype = 1;
strcpy(message.mtext, "Hello from message queue!");
if (msgsnd(msqid, &message, sizeof(message.mtext), 0) == -1) {
  perror("msgsnd");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 从消息队列读取消息
struct msgbuf received_message;
if (msgrcv(msqid, &received_message, sizeof(received_message.mtext), 1, 0) == -1) {
  perror("msgrcv");
  exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Received message: %s\n", received_message.mtext);

共享内存

共享内存允许进程直接访问其他进程的内存空间。共享内存的优势是通信效率极高，进程间的数据交换无需经过内核的复制。然而，共享内存也存在安全隐患，需要程序员谨慎设计和实现以避免问题。

代码示例：

// 创建共享内存
int shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(int), IPC_CREAT | 0666);
if (shmid == -1) {
  perror("shmget");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 映射共享内存
int* shared_memory = (int*)shmat(shmid, NULL, 0);
if (shared_memory == (int*)-1) {
  perror("shmat");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 使用共享内存
*shared_memory = 42;

// 取消映射共享内存
if (shmdt(shared_memory) == -1) {
  perror("shmdt");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

信号量

信号量是一种用来控制进程对共享资源访问的IPC方法。信号量可分为二进制信号量和计数信号量。二进制信号量只有两个状态：可用和不可用。计数信号量则可表示资源的可用数量。进程在访问共享资源前必须获取信号量，访问完成后必须释放信号量。

代码示例：

// 创建信号量
int semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, IPC_CREAT | 0666);
if (semid == -1) {
  perror("semget");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 初始化信号量
union semun {
  int val;
  struct semid_ds* buf;
  ushort* array;
};
union semun init_value;
init_value.val = 1;
if (semctl(semid, 0, SETVAL, init_value) == -1) {
  perror("semctl");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 获取信号量
struct sembuf wait_operation;
wait_operation.sem_num = 0;
wait_operation.sem_op = -1;
wait_operation.sem_flg = 0;
if (semop(semid, &wait_operation, 1) == -1) {
  perror("semop");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 释放信号量
struct sembuf release_operation;
release_operation.sem_num = 0;
release_operation.sem_op = 1;
release_operation.sem_flg = 0;
if (semop(semid, &release_operation, 1) == -1) {
  perror("semop");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

Socket

Socket是一种基于网络的IPC方法，允许进程通过网络进行通信。Socket的优势在于实现了跨机器的进程间通信。

代码示例：

// 创建 socket
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
  perror("socket");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 绑定 socket 到一个地址和端口
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
servaddr.sin_port = htons(8080);
if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) == -1) {
  perror("bind");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 监听 socket
if (listen(sockfd, 10) == -1) {
  perror("listen");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 接受连接
struct sockaddr_in cliaddr;
socklen_t len = sizeof(cliaddr);
int newsockfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&cliaddr, &len);
if (newsockfd == -1) {
  perror("accept");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 发送数据
char* message = "Hello from server!";
if (send(newsockfd, message, strlen(message), 0) == -1) {
  perror("send");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

// 接收数据
char received_message[100];
if (recv(newsockfd, received_message, sizeof(received_message), 0) == -1) {
  perror("recv");
  exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Received message: %s\n", received_message);