IPC进程间通信

全称 Inter Process Communication
出现原因
- 不同进程之间的内存空间是隔离的，就连fork创建的子进程也无法和父进程共享内存空间
- 但相关的多个进程有交换信息的需求，所以产生了进程间通信
共有6种，下面一一解释
- 管道
- FIFO
- 信号量
- 共享存储
- 消息队列
- socket

管道

通常是指无名管道
特点
- 只能用于父子或兄弟进程之间
- 看成一种特殊文件，可以读写，但又只存在内存中
- 向管道传递数据时，先读的进程会把数据取走
  - 因此，只用1个管道实现双向通信很难
    - 因为进程A写完之后，要等进程B读走再写入，A才能继续执行读取，否则将会读到自己写入的数据
  - 若想轻松实现双向通信，可以创建2个管道

原型

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

当一个管道建立时，会创建两个文件描述符
- fd[0]为读而打开
- fd[1]为写而打开
- 要关闭管道，只需要关闭这两个文件描述符即可
- 单个进程创建管道没啥用，所以要fork出子进程来使用

例子

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

int main(int argc, char* argv[]){
    int fd[2];
    pid_t pid;
    char buff[20];
    
    if (pipe(fd) < 0) {
        printf("Create Pipe Error!\n");
    }

    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        printf("Fork Error!\n");
    } else if (pid > 0) {
        close(fd[0]); //关掉父进程的读端
        write(fd[1], "hello\n", 12);
    } else {
        close(fd[1]); //关掉子进程的写端
        read(fd[0], buff, 20);
        printf("%s", buff);
    }
    
    return 0;
}

FIFO

也称为命名管道
特点
- 是一种文件类型，有路径名与之关联
- 可在无关的进程之间交换数据
原型
```
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);
```
- pathname —— 真实的文件路径
- mode_t —— 文件的读写权限
- 仅仅是创建了一个FIFO文件
  - 在创建之后，要使用open函数打开，选项可用O_RDONLY读或O_WRONLY写
    - 注意不能O_RDWR又读又写，不然会读回自己的输出
  - open函数可以选择追加 | O_NONBLOCK 非堵塞选项
    - 如果没追加，那只有在其他进程以写的方式打开此FIFO，当前进程才会返回
    - 如果追加了，那当前进程无论如何都将返回

例子

服务端：用文件名创建并打开管道，监听有无内容

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    if (mkfifo("fifo1", 0777) < 0) {
        printf("Create FIFO Failed");
    }
    
    int fd;
    int len;
    char buf[1024];
    
    fd = open("fifo1", O_RDONLY);
    
    while (read(len = read(fd, buf, 1024)) > 0) {
        printf("read msg: %s", buf);
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

客户端：往文件里面写东西

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    int fd;
    char buf[1024];
    
    fd = open("fifo1", O_WRONLY);
    
    n = sprintf(buf, "pid is", getpid());
    write(fd, buf, n + 1)
    
    close(fd)
    return 0;
}

信号量

跟前面的IPC结构不同，它是一个计数器，用于实现进程的互斥与同步
特点
- 基于操作系统的PV操作，是原子级别
  - P是获取资源，信号量-1，如果减了后变负数，则挂起等待
  - V是释放资源，信号量+1，如果发现有进程在等待，则唤醒它们
- 可加减任意数值，不限于1
分类
- 二值信号量：只能取0或者1
- 通用信号量：任意正整数
原型
```
#include <sys/sem.h>

//创建信号量组，num_sems为信号量的个数，返回信号量组ID
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

//操作信号量组
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  

//控制信号量组
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);
```
- sembuf结构
```
struct sembuf 
{
    short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
    short sem_op;  // 信号量值在一次操作中的改变量
    short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}
```
  - 解释一下结构中的sem_op
    - 若sem_op > 0，表示进程释放相应资源数，加到信号量上面
    - 若sem_op < 0，请求 sem_op 绝对值的资源
      - 这个操作与sem_flg有关
        
        sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则出错返回
        
        sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，直到如下情况发生
        
        当相应资源数能被满足，就将semncnt值减掉1，让sem_op减掉sem_op 绝对值
        
        或者信号量被删除，则出错返回
    - 若sem_op = 0，进程阻塞直到信号量相应值为0

共享存储

指两个或多个进程共享一个给定的存储区
特点
- 是最快的IPC，因为直接对内存操作
- 因为多个进程可能同时操作，所以要进行同步，这里要结合信号量去使用

原型

#include <sys/shm.h>

//创建共享内存，要指定大小，返回shm_id
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

//连接共享内存，成功则返回指向共享内存的指针
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);

//断开连接
int shmdt(void *addr); 

//控制共享内存
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

解释一下控制函数中的cmd参数
- 最常用的是IPC_RMID，从系统中删除改共享内存

消息队列

是消息的链接表，存放在内核中，具有独一无二的队列ID
特点
- 每个消息是一个数据块，允许有不同的类型，但是会有最大的长度限制
- 独立于发送和接收进程，进程终止时，队列内容不会被删除
- 可以随机查询，不一定要先进先出

原型

#include <sys/msg.h>

//创建消息队列，返回队列ID
int msgget(key_t key, int flag);

//添加消息
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);

//读取消息，可指定特定的type类型（数字）
int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);

//控制消息队列
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

在下列两种情况下会创建，否则直接返回现有的（这样才能共用而实现通信）
- 1、没有生成过key对应的队列，且flag含IPC_CREAT
- 2、key为IPC_PRIVATE

socket

又称套接字，是对TCP/IP、UDP等协议进行封装后形成的API，属于传输层
- 主要用于跨主机的进程间通信
类型有两种
- streamSocket，流套接字
  - 基于 TCP协议
  - 采用 流的方式 提供可靠的字节流服务
- datagramSocket，数据报套接字
  - 基于 UDP协议
  - 采用 数据报文 提供数据打包发送服务
原型
```
#include <sys/socket.h>
```
创建套接字，返回描述符sockfd
```
int socket(int domain, int type, int protocol);
```
- domain参数——套接字域，常见有两种
  - AF_INET IPv4
  - AF_INET6 IPv6
- type参数——套接字类型
  - SOCK_STREAM 字节流
  - SOCK_DGRAM 不可靠的报文传递
  - SOCK_SEQPACKET 可靠的报文传递
- protocol参数——协议
  - 通常是0，表示根据上面两个参数选择唯一协议

绑定IP地址和端口(多用于服务端)

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);

开启监听(多用于服务端)
```
int listen(int sockfd, int backlog);
```

建立连接(多用于客户端)

int connect(int sockfd , const struct sockaddr *addr, socklen_t len);

数据传输

发送

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);

接收

ssize_t recv(int sockdfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);

读取选项

int getsockopt(int sockdf, int level, int optname, void* optval, socklen_t* optlen);

设置选项

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void* optval, socklen_t optlen);

Keyboard shortcuts

IPC进程间通信

管道

FIFO

信号量

共享存储

消息队列

socket