进程间通信（IPC）-管道、消息队列、信号量、共享存储、socket

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PIPE和命名管道FIFO）、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、无名管道（PIPE）

特点：半双工、只用于亲缘进程间（父子、兄弟进程）、是一种特殊的文件只存在于内存中

int pipe(int fd [2]);

操作系统自动分配的临时匿名文件描述符用于读和写，fd[0]读 fd[1]写

要关闭管道只需将两个文件描述符关闭即可 close(fd[0/1])；

2、命名管道（fifo）

特点：全双工，在无关进程间，存在于文件系统

int mkfifo(const char *path,mode_t mode);

无名管道和命名管道都属于Unix/Linux下的进程间通信（IPC）手段，但它们有着明显的区别：

使用范围：无名管道只能在同一台机器上的父子进程或兄弟进程之间使用；而命名管道可以在不相关的进程或者不同机器上进程之间 使用。
生命周期：无名管道随进程产生而产生，随进程消亡而消亡 ；命名管道是一直存在的 ，只要不手动删除它，它就会一直存在下去。
访问方式：无名管道不能直接用文件名来访问，而只能由一个进程向其写入数据，另一个进程从其中读取数据；而命名管道可以用文件名来访问 ，任何进程只要知道文件名就可以对其进行读写操作。
数据缓存：无名管道中的数据不是立即写入的，而是会暂时保存在一个缓冲区中 ，只有当缓冲区满或者达到一定的时间间隔才会真正写入磁盘；而命名管道中的数据则是立即写入 的，不会被缓存。
数据传输效率：无名管道的数据传输效率比较高，因为它只需要一次系统调用就能完成一次数据传输；而命名管道的数据传输效率较低，因为它需要两次系统调用才能完成一次数据传输。

总的来说，无名管道更加简单易用，适合简单的进程间通信需求，而命名管道功能更加强大，适用于复杂多变的进程间通信需求。

二、消息队列

概念：一种在消息的传输过程中保存消息的容器 。它主要用于应用程序之间的数据交换，可以实现在两个或更多应用程序之间进行可靠的异步数据传输。消息队列是一个简单的基于队列的存储和转发 系统。它的核心思想是采用队列作为缓冲区，在应用程序之间传递消息。这样可以减轻应用程序之间的耦合度，使得应用程序之间的数据交换变得更加容易。

#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);

异步处理：消息队列可以使应用程序以异步方式进行数据交换，从而使应用程序能够更好地处理并发请求和响应。
解耦：消息队列将应用程序之间的直接依赖关系解耦，使它们之间的交互变得更加简单和灵活。
可靠性：消息队列提供了一种可靠的数据传输机制，可以确保消息不会丢失或损坏，并且可以根据需要进行备份和恢复。
弹性扩展：消息队列可以轻松地进行扩展，以满足不断增加的负载需求。
高性能：消息队列可以提供很高的性能，以满足实时和大数据应用的需求。
安全：消息队列提供了一些安全机制，可以保护敏感数据免受攻击和泄露。
跨平台：消息队列支持多种操作系统和开发语言，可以跨平台进行部署和使用

三、共享内存

共享内存(Shared Memory)是指多个进程可以访问的同一段物理内存空间。这是一种进程间通信 (IPC) 的技术，可以让多个进程在同一块内存区域上进行数据共享 。

共享内存的优点在于速度快，效率高，而且可以直接访问，而不用经过复杂的传递过程。但是，由于所有进程都可以直接访问同一块内存区域，所以可能会出现数据竞争的问题，因此需要适当的同步和互斥手段来防止这种情况发生。

共享内存通常用于实现线程间的通信，或者在一台机器上的多个进程之间进行数据交换。

#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);

高速：共享内存的速度非常快，因为它省去了拷贝数据的过程，可以直接访问内存中的数据。
高效：由于共享内存可以被多个进程共享，因此减少了资源的消耗，提高了程序运行效率。
直接访问：进程可以通过指针直接读取或修改共享内存中的数据，而不需要通过任何中间媒介。
复杂性：共享内存需要程序员自己负责同步和互斥问题，这增加了编程的复杂性。
限制：共享内存只能在同一台计算机上使用，不能跨越网络。
安全：如果一个进程意外崩溃，那么其他进程可能无法继续正常工作。因此，需要使用适当的安全机制来保护共享内存。

四、信号量

信号量(Semaphore)是一种控制并发进程数量的方法。它是一个计数器，可以用来控制多个进程同时访问共享资源的数量。通常情况下，当信号量的值大于0时，允许一个进程访问共享资源；否则，该进程会被阻塞，直到信号量的值再次变为正数。

信号量通常由操作系统内核维护，可以在用户模式下进行控制。例如，在Unix/Linux系统中，可以用open(), semop(), semctl()等函数来进行信号量的操作。

信号量的优点在于简单、直观、易于理解，并且能够在多线程或多进程环境中实现有效的同步控制。但是，由于信号量无法检测死锁情况，所以在使用时需要特别注意。

下面是关于信号量的一些常用术语：

* 初始化：初始化信号量的值，通常是正整数。

* P操作：每次P操作都会把信号量减1。当信号量为0时，该进程会被阻塞，直到有其他进程释放资源，将其加1。

* V操作：每次V操作都会把信号量加1。当信号量为0时，会唤醒一个正在等待的进程。

信号量是一种常用的进程间通信方式，可用于实现互斥、同步等问题。