进程间通信方式有哪些？

约定不等于承诺〃 2022-11-21 14:01 210阅读 0赞

## 前言 ##

进程能够单独运行并且完成一些任务，但是也经常免不了和其他进程传输数据或互相通知消息，即需要进行通信，本文将简单介绍一些进程之间相互通信的技术--进程间通信（InterProcess Communication，IPC）。由于篇幅有限，本文不会对每一种进行详细介绍。

## 概览 ##

进程间通信常见方式如下：

*  管道
 *  FIFO
 *  消息队列
 *  信号量
 *  共享内存
 *  UNXI域套接字
 *  套接字（Socket）

## 管道 ##

管道是一种古老的IPC通信形式。它有两个特点：

*  半双工，即不能同时在两个方向上传输数据。有的系统可能支持全双工。
 *  只能在父子进程间。经典的形式就是管道由父进程创建，进程fork子进程之后，就可以在父子进程之间使用了。

使用popen函数和pclose函数结合来执行系统命令，就用到了管道，它们声明如下：

FILE *popen(const char *command,const char *type);
    int pclose(FILE *stream);

system()函数虽然也能够执行系统命令，但是无法获取执行状态码，而执行系统命令本质上就需要创建子进程来完成，因此利用管道可以很方便的获取子进程的输出内容。本文不详细展开。

我们看一个简单的使用管道的例子，这里使用了pipe函数来创建管道：

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #define MAX_LEN 128
    int main(void) {
        
        /*0为读，1为写*/
        int fd[2] = {
        0}; //描述符
        pid_t pid = 0;
        char line[MAX_LEN] = {
        0};
        int n = 0;
    
        /*创建管道，需要传入两个文件描述符*/
        if(pipe(fd) < 0)
        {
        
            perror("create pipe failed\n");
            return -1;
        }
        /*fork子进程*/
        if((pid = fork()) < 0)
        {
        
            perror("fork failed\n");
            return -1;
        }
        /*父进程*/
        else if(pid > 0)
        {
        
            /*关闭管道的写描述符*/
            close(fd[1]);
    
            /*从管道读取数据*/
            n = read(fd[0],line,MAX_LEN);
            printf("read %d bytes from pipe :%s\n",n,line);
    
        }
        /*子进程*/
        else
        {
        
            /*关闭管道的读描述符*/
            close(fd[0]);
            /*向管道写入数据*/
            write(fd[1],"www.yanbinghu.com",sizeof("www.yanbinghu.com"));
        }
        return 0;
    }

在程序中，我们创建了一个管道，父进程关闭了写通道，子进程关闭读通道；子进程向管道内写入字符串，而父进程从管道中读取字符串并输出。

运行结果：

read 18 bytes from pipe :www.yanbinghu.com

## FIFO ##

FIFO也被称为命名管道，与管道不同的是，不相关的进程也能够进行数据交换。

涉及FIFO操作主要函数为：

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

而FIFO也常常有以下两个用途：

*  无需创建中间临时文件，复制输出流
 *  多客户-服务进程应用中，通过FIFO作为汇聚点，传输客户进程和服务进程之间的数据

我们看一个简单的例子，写进程代码如下：

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <errno.h>
    #include <fcntl.h>
    #define FIFO "/tmp/fifo"
    #define MAX_LEN 128
    int main(void) {
        
        int writeFd;
        char line[MAX_LEN] = {
        0};
        if(mkfifo(FIFO,S_IRUSR|S_IWUSR) < 0 && (errno != EEXIST))
        {
        
             perror("make fifo failed:");
             return -1;
        }
        /*关闭管道的读描述符*/
        writeFd = open(FIFO,O_WRONLY,0);
        /*向管道写入数据*/
        write(writeFd,"www.yanbinghu.com",sizeof("www.yanbinghu.com"));
        close(writeFd);
        return 0;
    }

它首先创建了一个FIFO，并且打开后，往里面写入字符串，然后关闭退出。

读进程代码如下：

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <errno.h>
    #include<fcntl.h>
    #define FIFO "/tmp/fifo"
    #define MAX_LEN 128
    int main(void) {
        
        int readFd,n;
        char line[MAX_LEN] = {
        0};
        /*打开FIFO，这里打开可能失败，应该要对返回值处理*/
        readFd = open(FIFO,O_RDONLY,0);
        /*从FIFO读取数据*/
    
        n = read(readFd,line,MAX_LEN);
        printf("read %d bytes from pipe :%s\n",n,line);
        close(readFd);
        /*删除FIFO*/
        unlink(FIFO);
        return 0;
    }

它先打开一个已知的FIFO，然后从FIFO中读取数据。

在一个终端先运行写进程，然后运行读进程，结果如下：

read 18 bytes from pipe :www.yanbinghu.com

我们可以看到，两个没有亲缘关系的进程可以通过FIFO进行通信。

## 消息队列 ##

消息队列可以认为是一个消息链表，存储在内核中，进程可以从中读写数据。与管道和FIFO不同，进程可以在没有另外一个进程等待读的情况下进行写。另外一方面，管道和FIFO一旦相关进程都关闭并退出后，里面的数据也就没有了，但是对于消息队列，一个进程往消息队列中写入数据后退出，另外一个进程仍然可以打开并读取消息。消息队列与后面介绍的UNIX域套接字相比，在速度上没有多少优势。

## 信号量 ##

信号量是一个计数器，它主要用在多个进程需要对共享数据进行访问的时候。考虑这一的情况，不能同时有两个进程对同一数据进行访问，那么借助信号量就可以完成这样的事情。

它的主要流程如下：

*  检查控制该资源的信号量
 *  如果信号量值大于0，则资源可用，并且将其减1，表示当前已被使用
 *  如果信号量值为0，则进程休眠直至信号量值大于0

也就是说，它实际上是**提供了一个不同进程或者进程的不同线程之间访问同步的手段**。

## 共享内存 ##

共享内存允许多个进程共享一个给定的存储区，由于它们是共享一块内存数据，因此其速度非常快。但是需要另外提供手段来保证共享内存的同步访问，例如它可以用到前面所提到的信号量来实现访问同步。

## UNIX域套接字 ##

UNIX域套接字和套接字很相似，但是它有更高的效率，因为它不需要执行协议处理，例如计算校验和，发送确认报文等等，它仅仅复制数据。

当然，它也只适用于同一台计算机上的进程间通信。

例如redis服务配置unixsocket启动后，通过redis-cli的-s参数就可以指定UNIX域套接字，连接到redis服务器。

$ redis-cli -s /tmp/redis.sock
    redis /tmp/redis.sock>

它会比使用网络套接字的速度要快。

## 网络套接字 ##

这个不用多说，它利用网络进行通信，与前面所提到的通信方式不同的是，它**能用于不同计算机之间的不同进程间通信**。

## 总结 ##

本文简单介绍了进程间通信的常见方式，其中对管道和命名管道我们使用了一个例子来简单说明，因为我们可能会经常见到它。对于FIFO，最后一个引用它的进程终止时，留在FIFO的数据也将会被删除，而对于消息队列却不是这样，它会一直留到被显示删除或者系统自举，另外消息队列于其他方式相比并没有特别的优势。而信号量实际上常用于共享数据的同步访问。共享内存在进程间传递数据非常高效，但是系统没有对访问进行同步，因此还需要另外实现数据的访问同步。套接字（socket）是应该目前应用最广泛的进程间通信方式。

参考：

*  《Unix环境高级编程》
 *  《unix网络编程卷2：进程间通信》
 *  《深入Linux内核架构》