Linux：进程间通信

Linux 中，不同进程的用户地址空间独立，一般不能互相访问，需借助内核空间进行通信。

1 、管道

管道本质是内核空间的一段环形缓冲区，分为匿名管道和有名管道两种

a. 匿名管道：只能用于具有亲缘关系的进程间的通信，如父进程调用pipe创建一个管道，获取读文件描述符fd $0$ 和写文件描述符fd $1$ ，其fork的子进程复制了文件描述符资源，同样有读、写的文件描述符。

b. 有名管道：通过int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode) 创建一个类型为管道的设备文件，可以实现无亲缘关系的进程间通信，通信双方通过open("my_named_pipe", O_RDONLY或O_WRONLY);配合read、write进行通信

管道特点：流式，即通信的数据时无格式的；先进先出，因此为了防止同一个进程读到自己发送的数据，一个管道只用于单向通信（匿名管道通过close读或写文件描述符，有名管道通过设置open的权限），若要双向通信应当再创建一个管道

管道效率较低，不适合进程间频繁通信

2、消息队列

消息队列本质和内核维护的一个消息链表，相较于管道，消息队列可以传输自定义的有格式的数据 struct message{long msg_type; char msg_text $BUFSIZ$ ;}; 且进程A发送消息后无需等待进程B接收，可继续往下执行

消息队列的使用：

复制代码

/* 包含头文件*/
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/*定义消息结构 */
struct message
{
    long mtype; /* 消息类型*/
    char mtext[BUFSIZE]; /* 消息内容*/
}

/*ftok()创建或者getpid()获取一个唯一的键*/
key_t key = ftok("some_file", 'a');

/* 创建消息队列*/
int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);

if (msgid == -1)
{
    perror("msgget");
    exit(1);
}

/* 发送消息*/
struct message msg;
msg.mtype = 1; // 消息类型
strcpy(msg.mtext, "Hello, Message Queue!");
if (msgsnd(msgid, &msg, strlen(msg.mtext), 0) == -1)
{
    perror("msgsnd");
    exit(1);
}

/* 接收消息*/
struct message rcv_msg;
if (msgrcv(msgid, &rcv_msg, sizeof(rcv_msg.mtext), rcv_msg.mtype, 0) == -1)
{
    perror("msgrcv");
    exit(1);
}
printf("Received: %s\n", rcv_msg.mtext);

/* 移除消息队列 */
if (msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL) == -1)
{
    perror("msgctl");
    exit(1);
}

消息队列优点：可以自定义格式；

消息队列缺点：通信不及时；消息大小有限制（不适合传输大数据），在 Linux 内核中，有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度；存在内核态与用户态的拷贝开销

3 、共享内存

共享内存的机制：不同进程的虚拟地址空间映射到同一块物理内存，不需要拷贝，是最快的IPC方式

复制代码

/* 创建者 */
int main() {
    key_t key = ftok("shmkeyfile", 'k');
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    char *memory = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (memory == (char *)(-1))
    {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    /* 使用共享内存 */
    strcpy(memory, "Hello, Shared Memory!");

    shmdt(memory); /* 脱离共享内存 */
    return 0;
}

/* 使用者 */
int main() {
    key_t key = ftok("shmkeyfile", 'k');
    int shmid = shmget(key, 0, 0666);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    char *memory = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (memory == (char *)(-1))
    {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    /* 读取共享内存 */
    printf("%s\n", memory);

    shmdt(memory); /* 脱离共享内存 */
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); /* 删除共享内存段 */
    return 0;
}

4 、信号量

对于上述的共享内存，如果多个进程同时操作同一内存，存在数据竞态的问题，信号量可避免数据竞态，实现互斥、同步

信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。

信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：

一个是 P 操作，这个操作会把信号量减去 1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。
另一个是 V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；

P 操作是用在进入共享资源之前，V 操作是用在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的。