IPC进程间通信

进程间通信（IPC，Interprocess communication）就是在不同进程之间传播或交换信息，那么不同进程之间存在着什么双方都可以访问的介质呢？进程的用户空间是互相独立的，一般而言是不能互相访问的，唯一的例外是共享内存区。另外，系统空间是“公共场所”，各进程均可以访问，所以内核也可以提供这样的条件。此外，还有双方都可以访问的外设。在这个意义上，两个进程当然也可以通过磁盘上的普通文件交换信息，或者通过“注册表”或其它数据库中的某些表项和记录交换信息。广义上这也是进程间通信的手段，但是一般都不把这算作“进程间通信”。

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

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

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：

#include 
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。

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可

二、FIFO

FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型。

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

#include 
// 返回值：成功返回0，出错返回-1
int mkfifo(const char *pathname, 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，直到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞，直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。

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

#include 
// 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。

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。

#include 
// 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 。

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

#include 
// 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（share memory attach）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（share memory detach）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（share memory control）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）。

举例说明：sharememory.exe负责往共享内存中写数据，client.exe负责从共享内存中读取数据。

sharememory.cpp

#include "stdafx.h"
#include 

#define FULL_MAP_NAME L"Local\\SampleMap"
// 开始时的文件偏移量.
#define VIEW_OFFSET 0
// VIEW_SIZE 文件大小 如果是0代表从offset到文件末尾
#define VIEW_SIZE 1024

// 映射文件大小
#define MAP_SIZE 65536

#define MESSAGE L"hellow world!test"

int wmain(int argc, wchar_t* argv[])
{
	HANDLE hMapFile = NULL;
	PVOID pView = NULL;
	// 打开映射文件对象.
	hMapFile = CreateFileMapping(
		INVALID_HANDLE_VALUE, //使用分页文件共享内存
		NULL, // 默认安全属性
		PAGE_READWRITE, // 读写
		0, // 文件大小的高字节因为此文件小所以用不到
		MAP_SIZE, // 文件大小的低字节
		FULL_MAP_NAME // 映射文件名
		);

	if (hMapFile == NULL)
	{
		wprintf(L"CreateFileMapping failed w/err 0x%08lx\n", GetLastError());
		goto Cleanup;
	}
	wprintf(L"The file mapping (%s) is created\n", FULL_MAP_NAME);
	// 将文件映射的视图映射到当前的地址空间
	pView = MapViewOfFile(
		hMapFile, // 映射对象句柄
		FILE_MAP_ALL_ACCESS, // 读写
		0, // 便宜高字节
		VIEW_OFFSET, //偏移低字节
		VIEW_SIZE // 映射到内存的字节数
		);

	if (pView == NULL)
	{
		wprintf(L"MapViewOfFile failed w/err 0x%08lx\n", GetLastError());
		goto Cleanup;
	}

	wprintf(L"The file view is mapped\n");
	// 内存内放发送内容
	PWSTR pszMessage = MESSAGE;
	DWORD cbMessage = (wcslen(pszMessage) + 1) * sizeof(*pszMessage);
	// 写入内存
	memcpy_s(pView, VIEW_SIZE, pszMessage, cbMessage);
	wprintf(L"This message is written to the view:\n\"%s\"\n",
		pszMessage);
	// 等待程序结束后 清空对象
	wprintf(L"Press ENTER to clean up resources and quit");
	getchar();

Cleanup:
	if (hMapFile)
	{
		if (pView)
		{
			// Unmap the file view.
			UnmapViewOfFile(pView);
			pView = NULL;
		}
		// Close the file mapping object.
		CloseHandle(hMapFile);
		hMapFile = NULL;
	}
	return 0;
}

client.cpp

// client.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
#include "stdafx.h"
#include 

#define FULL_MAP_NAME L"Local\\SampleMap"
// 开始时的文件偏移量.
#define VIEW_OFFSET 0
// VIEW_SIZE 文件大小 如果是0代表从offset到文件末尾
#define VIEW_SIZE 1024

int wmain(int argc, wchar_t* argv[])
{
	HANDLE hMapFile = NULL;
	PVOID pView = NULL;
	// 尝试打开已经定义的映射文件名.
	hMapFile = OpenFileMapping(
		FILE_MAP_READ, // 读访问
		FALSE, // 不继承名称
		FULL_MAP_NAME //映射文件名字
		);

	if (hMapFile == NULL)
	{
		wprintf(L"OpenFileMapping failed w/err 0x%08lx\n", GetLastError());
		goto Cleanup;
	}
	wprintf(L"The file mapping (%s) is opened\n", FULL_MAP_NAME);

	// 映射文件映射到当前进程的地址空间
	pView = MapViewOfFile(
		hMapFile, // map的句柄
		FILE_MAP_READ, // 读访问
		0, // offset的高字节因为此文件不大 所以用不到
		VIEW_OFFSET, // offset的低字节
		VIEW_SIZE // 要映射到进程的字节数 最大为map文件的大小
		);

	if (pView == NULL)
	{
		wprintf(L"MapViewOfFile failed w/err 0x%08lx\n", GetLastError());
		goto Cleanup;
	}
	wprintf(L"The file view is mapped\n");
	//读取映射内存中内容
	wprintf(L"Read from the file mapping:\n\"%s\"\n", (PWSTR)pView);
	// getchar等待输入按键结束程序
	wprintf(L"Press ENTER to clean up resources and quit");
	getchar();

Cleanup:
	if (hMapFile)
	{
		if (pView)
		{
			// 卸载映射内存视图.
			UnmapViewOfFile(pView);
			pView = NULL;
		}
		// 关闭映射文件对象
		CloseHandle(hMapFile);
		hMapFile = NULL;
	}
	return 0;
}

运行结果

五种通讯方式总结

1.管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯    

2.FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢    

3.消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题    

4.信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步    

5.共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存。