Linux进程间通信(IPC)

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进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。

一、管道

1、特点

  1. 它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。
  2. 它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
  3. 它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

2、原型

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#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);    // 返回值：若成功返回0，失败返回-1

当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图：

img

3、例子

单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以，通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示：

img

若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反之，则可以使数据流从子进程流向父进程。

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

int main()
{
    int fd[2];
    pid_t pid;
    char buff[20];
    
    if(pipe(fd)<0) printf("Create Pipe Error!\n");
    if((pid=fork())<0) //创建子进程
        printf("Fork Error!\n");
    else if(pid>0)   //父进程
    {
        close(fd[0]);  //关闭读端
        write(fd[1],"Hello world\n",12);
    }
    else     //子进程
    {
        close(fd[1]);
        read(fd[0],buff,20);
        printf("%s",buff);
    }
    return 0;
}

4.函数popen和pclose

特点

​ 使用该函数可以减少代码量，作用和pipe几乎一样，内部实现参考APUE

原型

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#include <stdio.h>
FILE *popen(const char *cmdstring, const *type );

int pclose(FILE *fp);

例子

向父进程stdout写一个提示，然后从子进程stdin读入一行，子进程通过管道输出结果给父进程

过滤程序：

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#include "apue.h"
#include <ctype.h>

int
main(void)
{
        int   c;

        while ((c = getchar()) != EOF) {
                if (isupper(c))
                        c = tolower(c);
                if (putchar(c) == EOF)
                        err_sys("output error");
                if (c == '\n')
                        fflush(stdout);
        }
        exit(0);
}

父进程：

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#include "apue.h"
#include <sys/wait.h>

int
main(void)
{
        char    line[MAXLINE];
        FILE    *fpin;

        if ((fpin = popen("./myuclc", "r")) == NULL)
                err_sys("popen error");
        for ( ; ; ) {
                fputs("prompt> ", stdout);
                fflush(stdout);
                if (fgets(line, MAXLINE, fpin) == NULL) /* read from pipe */
                        break;
                if (fputs(line, stdout) == EOF)
                        err_sys("fputs error to pipe");
        }
        if (pclose(fpin) == -1)
                err_sys("pclose error");
        putchar('\n');
        exit(0);
}

5.协同进程

当一个过滤程序既产生某个过滤程序的输入，又读取该过滤程序的输出时，叫协同进程。

popen只提供链接到另一个进程的标准输入或输出的一个单向通道，而协同是两个单项向管道。

具体应用例子参考APUE。

二、FIFO

1、特点

  1. FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
  2. FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

2、原型

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#include <sys/stat.h>
// 返回值：成功返回0，出错返回-1
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);
int mkfifoat(int fd, const *path, mode_t mode);

其中的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件I/O函数操作它。

当 open 一个FIFO时，是否设置非阻塞标志（O_NONBLOCK）的区别：

  • 若没有指定O_NONBLOCK（默认），只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。
  • 若指定了O_NONBLOCK，则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO，其errno置ENXIO。

3、例子

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程：

write_fifo.c

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>   // exit
#include<fcntl.h>    // O_WRONLY
#include<sys/stat.h>
#include<time.h>     // time

int main(void)
{
	int fd;
	int n, i;
	char buf[1024];
	time_t tp;

	printf("I am %d process.\n", getpid()); // 说明进程ID
	
    if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 创建FIFO管道(相当于创建文件)
		perror("Create FIFO Failed");
    
	if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以写打开一个FIFO ，默认阻塞
	{
		perror("Open FIFO Failed");
		exit(1);
	}

	for(i=0; i<10; ++i)
	{
		time(&tp);  // 取系统当前时间
		n=sprintf(buf,"Process %d's time is %s",getpid(),ctime(&tp));
		printf("Send message: %s", buf); // 打印
		if(write(fd, buf, n+1) < 0)  // 写入到FIFO中
		{
			perror("Write FIFO Failed");
			close(fd);
			exit(1);
		}
		sleep(1);  // 休眠1秒
	}

	close(fd);  // 关闭FIFO文件
	return 0;
}

read_fifo.c

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/stat.h>

int main()
{
	int fd;
	int len;
	char buf[1024];

	if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0)  // 以读打开FIFO
	{
		perror("Open FIFO Failed");
		exit(1);
	}
	
	while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 读取FIFO管道
		printf("Read message: %s", buf);

	close(fd);  // 关闭FIFO文件
	return 0;
}

运行结果:

两个程序必须同时进行，只单一运行的话会发生阻塞。

扩展：

上述例子可以扩展成 客户进程—服务器进程 通信的实例，write_fifo的作用类似于客户端，可以打开多个客户端向一个服务器发送请求信息，read_fifo类似于服务器，它适时监控着FIFO的读端，当有数据时，读出并进行处理，但是有一个关键的问题是，每一个客户端必须预先知道服务器提供的FIFO接口，下图显示了这种安排：

img

三、消息队列

消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。

1、特点

  1. 消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
  2. 消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
  3. 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

2、原型

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#include <sys/msg.h>
// 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
int msgget(key_t key, int flag);
// 添加消息：成功返回0，失败返回-1
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
// 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
// 控制消息队列：成功返回0，失败返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

在以下两种情况下，msgget将创建一个新的消息队列：

  • 如果没有与键值key相对应的消息队列，并且flag中包含了IPC_CREAT标志位。
  • key参数为IPC_PRIVATE。

函数msgrcv在读取消息队列时，type参数有下面几种情况：

  • type == 0，返回队列中的第一个消息；
  • type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息；
  • type < 0，返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息，如果有多个，则取类型值最小的消息。

可以看出，type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值。（其他的参数解释，请自行Google之）

函数msgrcv的flag指定为IPC_NOWAIT，可使操作不阻塞；没有设置会一直阻塞到有指定消息可用，或则系统中删除此队列，或则信号处理返回。下面例子可以看出来。

有多个方法是client和server进程在同一个IPC结构上汇聚：

1.服务器进程指定IPC_PRIVATE创建一个新的IPC结构，返回的标识符存放在某处（如文件夹）以便客户取。

2.在一个公共头文件定义服务器和客户端都认同的键。

3.客户进程和服务进程认可的同一个路径名和项目ID，调用ftok将两个值变为一个键，然后在方法2中使用。

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> #include<sys/ipc.h>
> key_t ftok(const char *path, int id)
>

3、例子

下面写了一个简单的使用消息队列进行IPC的例子，服务端程序一直在等待特定类型的消息，当收到该类型的消息以后，发送另一种特定类型的消息作为反馈，客户端读取该反馈并打印出来。

msg_server.c

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>

// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "/etc/passwd"

// 消息结构
struct msg_form {
	long mtype;
	char mtext[256];
};

int main()
{
	int msqid;
	key_t key;
	struct msg_form msg;
	
	// 获取key值
	if((key = ftok(MSG_FILE,'z')) < 0)
	{
		perror("ftok error");
		exit(1);
	}

	// 打印key值
	printf("Message Queue - Server key is: %d.\n", key);

	// 创建消息队列
	if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
	{
		perror("msgget error");
		exit(1);
	}

	// 打印消息队列ID及进程ID
	printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
	printf("My pid is: %d.\n", getpid());

	// 循环读取消息
	for(;;) 
	{
         msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回类型为888的第一个消息
		printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
		printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);

		msg.mtype = 999; // 客户端接收的消息类型
		sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid());
		msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
	}
	return 0;
}

msg_client.c

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>

// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "/etc/passwd"

// 消息结构
struct msg_form {
	long mtype;
	char mtext[256];
};

int main()
{
	int msqid;
	key_t key;
	struct msg_form msg;

	// 获取key值
	if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z')) < 0) 
	{
		perror("ftok error");
		exit(1);
	}

	// 打印key值
	printf("Message Queue - Client key is: %d.\n", key);

	// 打开消息队列
	if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) 
	{
		perror("msgget error");
		exit(1);
	}

	// 打印消息队列ID及进程ID
    printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
	printf("My pid is: %d.\n", getpid());

	// 添加消息，类型为888
	msg.mtype = 888;
	sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid());
	msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);

	// 读取类型为999的消息
	msgrcv(msqid, &msg, 256, 999, 0);
	printf("Client: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
	printf("Client: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);
	return 0;
}

运行结果:

四、信号量

信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

1、特点

  1. 信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
  2. 信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
  3. 每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
  4. 支持信号量组。

2、原型

最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二值信号量（Binary Semaphore）。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。

Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。

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#include <sys/sem.h>
// 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
// 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
// 控制信号量的相关信息
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

当semget创建新的信号量集合时，必须指定集合中信号量的个数（即num_sems），通常为1； 如果是引用一个现有的集合，则将num_sems指定为 0 。

在semop函数中，sembuf结构的定义如下：

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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
}

其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量：

  • 若sem_op > 0，表示进程释放相应的资源数，将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量，则换行它们。
  • 若sem_op < 0，请求 sem_op 的绝对值的资源。
    • 如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。
    • 当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。
      • sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。
      • sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
        1. 当相应的资源数可以满足请求，此信号量的semncnt值减1，该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回；
        2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
        3. 进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，此情况下将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
  • 若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：
    • 当信号量已经为0，函数立即返回。
    • 如果信号量的值不为0，则依据sem_flg决定函数动作：
      • sem_flg指定IPC_NOWAIT，则出错返回EAGAIN。
      • sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
        1. 信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
        2. 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
        3. 进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR

在semctl函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：

  • SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
  • IPC_RMID：删除一个信号量集合。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。

3、例子

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/sem.h>

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
	int              val; /*for SETVAL*/
	struct semid_ds *buf;
	unsigned short  *array;
};

// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
	union semun tmp;
	tmp.val = value;
	if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
	{
		perror("Init Semaphore Error");
		return -1;
	}
	return 0;
}

// P操作:
//	若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//	若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
	struct sembuf sbuf;
	sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
	sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
	sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

	if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
	{
		perror("P operation Error");
		return -1;
	}
	return 0;
}

// V操作：
//	释放资源并将信号量值+1
//	如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
	struct sembuf sbuf;
	sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
	sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
	sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

	if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
	{
		perror("V operation Error");
		return -1;
	}
	return 0;
}

// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
	union semun tmp;
	if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
	{
		perror("Delete Semaphore Error");
		return -1;
	}
	return 0;
}


int main()
{
	int sem_id;  // 信号量集ID
	key_t key;  
	pid_t pid;

	// 获取key值
	if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
	{
		perror("ftok error");
		exit(1);
	}

	// 创建信号量集，其中只有一个信号量
	if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
	{
		perror("semget error");
		exit(1);
	}

	// 初始化：初值设为0资源被占用
	init_sem(sem_id, 0);

	if((pid = fork()) == -1)
		perror("Fork Error");
	else if(pid == 0) /*子进程*/ 
	{
		sleep(2);
		printf("Process child: pid=%d\n", getpid());
		sem_v(sem_id);  /*释放资源*/
	}
	else  /*父进程*/
	{
		sem_p(sem_id);   /*等待资源*/
		printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
		sem_v(sem_id);   /*释放资源*/
		del_sem(sem_id); /*删除信号量集*/
	}
	return 0;
}

五、共享内存

共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。

1、特点

  1. 共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
  2. 因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
  3. 信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。

2、原型

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#include <sys/shm.h>
// 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void *addr); 
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

当用shmget函数创建一段共享内存时，必须指定其 size；而如果引用一个已存在的共享内存，则将 size 指定为0 。

当一段共享内存被创建以后，它并不能被任何进程访问。必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问。

shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的。注意，这并不是从系统中删除该共享内存，只是当前进程不能再访问该共享内存而已。

shmctl函数可以对共享内存执行多种操作，根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID（从系统中删除该共享内存）。

3、例子

下面这个例子，使用了【共享内存+信号量+消息队列】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。

  • 共享内存用来传递数据；
  • 信号量用来同步；
  • 消息队列用来 在客户端修改了共享内存后 通知服务器读取。

Server.c

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h>  // shared memory
#include<sys/sem.h>  // semaphore
#include<sys/msg.h>  // message queue
#include<string.h>   // memcpy

// 消息队列结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext;
};

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /*for SETVAL*/
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short  *array;
};

// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
    union semun tmp;
    tmp.val = value;
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
    {
        perror("Init Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// P操作:
//  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//  若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
//  释放资源并将信号量值+1
//  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
    union semun tmp;
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
    {
        perror("Delete Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 创建一个信号量集
int creat_sem(key_t key)
{
	int sem_id;
	if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
	{
		perror("semget error");
		exit(-1);
	}
	init_sem(sem_id, 1);  /*初值设为1资源未占用*/
	return sem_id;
}


int main()
{
	key_t key;
	int shmid, semid, msqid;
	char *shm;
	char data[] = "this is server";
	struct shmid_ds buf1;  /*用于删除共享内存*/
	struct msqid_ds buf2;  /*用于删除消息队列*/
	struct msg_form msg;  /*消息队列用于通知对方更新了共享内存*/

	// 获取key值
	if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
	{
		perror("ftok error");
		exit(1);
	}

	// 创建共享内存
	if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1)
	{
		perror("Create Shared Memory Error");
		exit(1);
	}

	// 连接共享内存
	shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
	if((int)shm == -1)
	{
		perror("Attach Shared Memory Error");
		exit(1);
	}


	// 创建消息队列
	if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
	{
		perror("msgget error");
		exit(1);
	}

	// 创建信号量
	semid = creat_sem(key);
	
	// 读数据
	while(1)
	{
		msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0); /*读取类型为888的消息*/
		if(msg.mtext == 'q')  /*quit - 跳出循环*/ 
			break;
		if(msg.mtext == 'r')  /*read - 读共享内存*/
		{
			sem_p(semid);
			printf("%s\n",shm);
			sem_v(semid);
		}
	}

	// 断开连接
	shmdt(shm);

    /*删除共享内存、消息队列、信号量*/
	shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1);
	msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2);
	del_sem(semid);
	return 0;
}

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h>  // shared memory
#include<sys/sem.h>  // semaphore
#include<sys/msg.h>  // message queue
#include<string.h>   // memcpy

// 消息队列结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext;
};

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /*for SETVAL*/
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short  *array;
};

// P操作:
//  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//  若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
//  释放资源并将信号量值+1
//  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /*序号*/
    sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}


int main()
{
	key_t key;
	int shmid, semid, msqid;
	char *shm;
	struct msg_form msg;
	int flag = 1; /*while循环条件*/

	// 获取key值
	if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
	{
		perror("ftok error");
		exit(1);
	}

	// 获取共享内存
	if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1)
	{
		perror("shmget error");
		exit(1);
	}

	// 连接共享内存
	shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
	if((int)shm == -1)
	{
		perror("Attach Shared Memory Error");
		exit(1);
	}

	// 创建消息队列
	if ((msqid = msgget(key, 0)) == -1)
	{
		perror("msgget error");
		exit(1);
	}

	// 获取信号量
	if((semid = semget(key, 0, 0)) == -1)
	{
		perror("semget error");
		exit(1);
	}
	
	// 写数据
	printf("***************************************\n");
	printf("*                 IPC                 *\n");
	printf("*    Input r to send data to server.  *\n");
	printf("*    Input q to quit.                 *\n");
	printf("***************************************\n");
	
	while(flag)
	{
		char c;
		printf("Please input command: ");
		scanf("%c", &c);
		switch(c)
		{
			case 'r':
				printf("Data to send: ");
				sem_p(semid);  /*访问资源*/
				scanf("%s", shm);
				sem_v(semid);  /*释放资源*/
				/*清空标准输入缓冲区*/
				while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
				msg.mtype = 888;  
				msg.mtext = 'r';  /*发送消息通知服务器读数据*/
				msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
				break;
			case 'q':
				msg.mtype = 888;
				msg.mtext = 'q';
				msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
				flag = 0;
				break;
			default:
				printf("Wrong input!\n");
				/*清空标准输入缓冲区*/
				while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
		}
	}

	// 断开连接
	shmdt(shm);

	return 0;
}

注意：当scanf()输入字符或字符串时，缓冲区中遗留下了\n，所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区。但是由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)（它只是标准C的扩展），所以我们使用了替代方案：

1
while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);

运行结果:

XSI IPC和PIPE、FIFO的区别：

XSI IPC的IPC结构是在系统范围内起作用，没用使用引用计数。如果一个进程创建一个消息队列，并在消息队列中放入几个消息，进程终止后，即使现在已经没有程序使用该消息队列，消息队列及其内容依然保留。而PIPE在最后一个引用管道的进程终止时，管道就被完全删除了。对于FIFO最后一个引用FIFO的进程终止时，虽然FIFO还在系统，但是其中的内容会被删除。

6.套接字

1、特点

​ 1.不同计算机通信

2、原型

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#include<sys/socket.h>
//参数参考APUE，大概是通信域、套接字类型、协议
int socket(int domain, int type, int protocol);
//close()直接关闭套接字，sutdown()使套接字处于不活动状态
int shutdown(int sockfd, int how);

#include<apra/inet.h>
//网络字节序表示
uint32_t htonl(uint32_t hostint32);
//主机字节序表示
uint32_t ntohl(uint32_t hostint32);

#include<sys/socket.h>
//关联地址和套接字
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t len);
//建立连接
int connect(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr,socklen_t *restrict alenp);
//服务器宣告愿意接受连接请求(backlog表示未完成的连接请求数量)
int listen(int sockfd, int backlog);
//获得连接请求并建立连接
int accept(int sockfd, struct sockaddr *restrict addr,socklen_t *restrict len);
//发送数据
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
//接受数据
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);

3、例子

采用一个服务器程序对应一个客户的方法，服务器不需要采取任何并发技术，执行TCP套接字服务端的基本过程是创建套接字，绑定套接字，监听，接收请求，读/写数据和终止连接。

server.c

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>//因特网地址
#include <arpa/inet.h>//字节序转换
#include <cstdio.h>
#include <cstdlib.h>
#define PORT 1234   //端口号
#define BACKLOG 1   //所允许的连接数量
int main()
{
    int socketfd,connectfd;  //描述符
    struct sockaddr_in server;  //服务器地址
    struct sockaddr_in client;  //客户地址
    
    if((socketfd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))==-1)  //产生tcp套接字
    {
        perror("socket  failed\n");
        exit(1);
    }
    int opt=SO_REUSEADDR;  //允许本地地址被重用
    setsockopt(socketfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
    bzero(&server, sizeof(server)); //初始化
    server.sin_family=AF_INET;      //tcp套接字
    server.sin_port=htons(PORT);    //将端口转换为网络字序
    server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);   //内核选择ip
    if(bind(socketfd, (struct sockaddr *)&server,sizeof(server))==-1)  //将套接字绑定到指定的协议地址
    {
        perror("Bind error\n");
        exit(1);
    }
    if(listen(socketfd, BACKLOG)==-1)  //监听 （如果没有请求，则被阻塞，进入休眠状态）
    {
        perror("listen error\n");
        exit(1);
    }
    socklen_t sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
    
    if ((connectfd=accept(socketfd, (struct sockaddr *)&client,&sin_size))==-1)  //接收请求
    {
        perror("accept error\n");
        exit(1);
    }
    printf("you got a connection form %s\n",inet_ntoa(client.sin_addr));
    send(connectfd, "hello\n", 6, 0); //发送信息
    close(connectfd);
    close(socketfd);
    return 0;
}

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <cstdlib>
#define PORT 1234 //定义端口号
#define MAXDATASIZE 100  //定义缓冲区的大小
int main()
{
    int socketfd,numberbytes;   //文件描述符
    char buf[MAXDATASIZE];      //缓冲区，用来存储接收到的文本
    struct hostent *host;       //该结构体用来获取本地路由的信息
    struct sockaddr_in server;  //服务器端地址信息
    if ((host=gethostbyname("127.0.0.1"))==NULL)
    {
        printf("gethostbyname error\n");
        exit(1);
    }
    if ((socketfd=socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0))==-1)
    {
        printf("socket error\n");
        exit(1);
    }
    bzero(&server, sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;      //tcp套接字类型
    server.sin_port=htons(PORT);    //将端口转换成网络字序
    server.sin_addr=*((struct in_addr *)host->h_addr);  //服务器地址
    if (connect(socketfd, (struct sockaddr*)&server, sizeof(struct sockaddr))==-1)   //建立连接
    {
        perror("connect error\n");
        exit(1);
    }
    if((numberbytes=recv(socketfd, buf, 100, 0))==-1)  //获取消息
    {
        printf("recv error\n");
        exit(1);
    }
    buf[numberbytes]='\0';
    printf("server message:%s\n",buf);
    close(socketfd);   //关闭连接
    return 0;
}

运行结果：