C语言中进程间通讯的方式详解

2024-10-02 19:53:35

一.无名管道

1.1无名管道的原理

无名管道只能用于亲缘间进程的通信，无名管道的大小是64K。无名管道是内核空间实现的机制。

1.2功能

1) Pipe()创建一个管道，这是一个单向的数据通道，可用于进程间通信。

2)数组pipefd用于返回两个指向管道末端的文件描述符。

3)Pipefd[0]指的是管道的读端。Pipefd[1]指的是管道的写入端,写入管道的写入端数据由内核进行缓冲（64k），直到从管道的读取端读取为止。

1.3无名管道通信特点

1.只能用于亲缘间进程的通信

2.无名管道数据半双工的通信的方式

单工： A -------------->B

半双工 : 同一时刻 A----->B B------>A

全双工 : 同一时刻 A<---->B

3.无名管道的大小是64K

4.无名管道不能够使用lseek函数

5.读写的特点

如果读端存在写管道：有多少写多少，直到写满为止（64k）写阻塞

如果读端不存写管道，管道破裂（SIGPIPE） (可以通过gdb调试看现象)

如果写端存在读管道：有多少读多少，没有数据的时候阻塞等待

如果写端不存在读管道：有多少读多少，没有数据的时候立即返回

1.4无名管道的实例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#define ERROR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    pid_t pid;
    int num[2];
    char buff[128] = {0};

    if (pipe(num)){
        ERROR("pipe error");
    }

    if ((pid = fork()) == -1){
        ERROR("fork error");
    }else if(pid == 0){
        close(num[0]);
        while (1){
            memset(buff, 0, sizeof(buff));
            printf("请输入您要输入的数值>>");
            fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
            buff[strlen(buff) -1] = '\0';
            write(num[1], buff, strlen(buff));

            if (!strncmp(buff, "quit", 4)){
                break;
            }

        }
        close(num[1]);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }else{
        close(num[1]);
        while (1){
            memset(buff, 0, sizeof(buff));
            read(num[0], buff, sizeof(buff));

            if (!strncmp(buff, "quit", 4)){
                break;
            }
            printf("%s\n",buff);
        }
        close(num[0]);
        wait(NULL);
    }

    return 0;
}

二.有名管道

2.1有名管道的原理

1)可以用于亲缘间进程的通信，也可以用于非亲缘间的进程的通信。

2)有名管道会创建一个文件，需要通信的进程打开这个文件，产生文件描述符后就可以通信了，有名管道的文件存在内存上。

3)有名管道的大小也是64K,也不能使用lseek函数

2.2有名管道的特点

1.可以用于任意进程间的通信

2.有名管道数据半双工的通信的方式

3.有名管道的大小是64K

4.有名管道不能够使用lseek函数

5.读写的特点

如果读端存在写管道：有多少写多少，直到写满为止（64k）写阻塞

如果读端不存写管道

1.读权限没有打开，写端在open的位置阻塞

2.读端打开后关闭，管道破裂（SIGPIPE） (可以通过gdb调试看现象)

如果写端存在读管道：有多少读多少，没有数据的时候阻塞等待

如果写端不存在读管道

1.写权限没有打开，读端在open的位置阻塞

2.写端打开后关闭，有多少读多少，没有数据的时候立即返回

2.3有名管道实例

mkfifo文件:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define ERROR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if (mkfifo("./fifo",0666)){
        ERROR("mkfifo error");
    }

    //有名管道没有阻塞，手动加一个阻塞
    getchar();

    system("rm ./fifo -rf");

    return 0;
}

write文件：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define ERROR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd;
    char buff[128] = {0};
    if ((fd = open("./fifo",O_WRONLY)) == -1){
        ERROR("open fifo error\n");
    }

    while(1){
        printf("input >");
        fgets(buff, sizeof(buff), stdin);
        buff[strlen(buff) - 1] = '\0';

        write(fd, buff, strlen(buff));
        if(!strncmp("quit",buff,4))break;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

read文件：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>

#define ERROR(msg)                                          \
    do                                                      \
    {                                                       \
        printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__); \
        printf(msg);                                        \
        exit(-1);                                           \
    } while (0)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int fd;
    char buff[128] = {0};
    if ((fd = open("./fifo", O_RDONLY)) == -1)
    {
        ERROR("open error");
    }

    while (1){
        memset(buff, 0, sizeof(buff));
        read(fd, buff, sizeof(buff));
        if (!strncmp("quit",buff,4)){
            break;
        }

        printf("%s\n",buff);
    }
    close(fd);
    return 0;
}

三.信号

3.1信号的概念

信号是中断的一种软件模拟，中断是基于硬件实现的，信号是基于linux内核实现的。

用户可以给进程发信号，进程可以给进程发信号，内核也可以给进程发信号。进程对

信号的处理方式有三种：捕捉，忽略，默认

3.2发送信号的函数

int raise(int sig);

功能：给自己（进程或者线程）发信号

参数：

@sig:信号号

返回值：成功返回0，失败返回非0

int kill(pid_t pid, int sig);

功能：给进程发信号

参数：

@pid:进程号

pid > 0 :给pid对应的进程发信号
pid = 0 :给同组的进程发信号
pid = -1:给所有的有权限操作的进程发送信号，init进程除外
pid < -1:给-pid对应的同组的进程发信号

@sig:信号号

返回值：成功返回0，失败返回-1置位错误码

3.3常用的信号

1.在上述的信号中只有SIGKILL和SIGSTOP两个信号不能被捕捉也不能被忽略

2.SIGCHLD,当子进程结束的时候，父进程收到这个SIGCHLD的信号

3.4实例

捕捉ctrl+c

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#define ERROR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

void handle(int num)
{
    if (num == SIGINT){
        printf("我收到一个ctrl+c的信号\n");
    }
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //捕捉
    if (signal(SIGINT, handle) == SIG_ERR){
        ERROR("register signal error");
    }
    //忽略
    if (signal(SIGINT,SIG_IGN) == SIG_ERR){
        ERROR("register signal error");
    }
    //默认
    if (signal(SIGINT,SIG_DFL) == SIG_ERR){
        ERROR("register signale");
    }

    while(1);
    return 0;
}

捕捉管道破裂的消息

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define ERROR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

void handle(int num)
{
    if (num == SIGPIPE){
        printf("捕捉到一条管道破裂的消息\n");
    }
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int num[2];
    char buff[32] = "123";

    if(pipe(num)){
        ERROR("pipe error");
    }

    if (signal(SIGPIPE,handle) == SIG_ERR){
        ERROR("signal error");
    }

    close(num[0]);

    write(num[1],buff,strlen(buff));
    return 0;
}

阻塞等待为子进程回收资源

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void signal_handle(int signo)
{
    printf("我是父进程，收到了子进程退出的信号，为它回收资源\n");
    waitpid(-1,NULL,WNOHANG); //非阻塞方式回收资源
    printf("为子进程回收资源成功\n");
    raise(SIGKILL);  //给父进程发送信号，结束父进程
}

int main(int argc,const char * argv[])
{
    pid_t pid;

    pid = fork();
    if(pid == -1){
        ERROR("fork error");
    }else if(pid == 0){
        sleep(5);
        printf("子进程执行结束了\n");
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }else{
        if(signal(SIGCHLD,signal_handle)==SIG_ERR)
            ERROR("signal error");

        while(1);
    }

    return 0;
}

用arlarm实现一个斗地主机制

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

#define ERROR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

void handle(int num)
{
    if (num == SIGALRM){
        printf("自动出牌\n");
    }
    alarm(3);
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char ch;
    if (signal(SIGALRM,handle) == SIG_ERR){
        ERROR("signale error");
    }

    alarm(3);

    while (1){
        printf("请输入您要出的牌>>");
        ch = getchar();
        getchar();
        printf("%c\n",ch);
        alarm(3);
    }
    return 0;
}

四.IPC进程间通信

4.1IPC进程间通信的种类

（1）消息队列

（2）共享内存

（3）信号灯集

4.2查看IPC进程间通信的命令

4.2.1查看

ipcs -q //查看消息队列的命令

ipcs -m //查看共享内存的命令

ipcs -s //查看信号灯集的命令

4.2.2删除ipc的命令

ipcrm -q msqid //删除消息队列命令

ipcrm -m shmid //删除共享内存命令

ipcrm -s semid //删除信号灯集的命令

4.3消息队列

4.3.1消息队列的原理

消息队列也是借助内核实现的，A进程将消息放到消息队列中，队列中的消息

有消息的类型和消息的正文。B进程可以根据想取的消息的类型从消息队列中

将消息读走。消息队列默认的大小是16384个字节。如果消息队列中的消息满了，

A进程还想往队列中发消息，此时A进程阻塞。

4.3.2IPC进程间通信键值的获取

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define ERROR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key;
    struct stat st;

   if ((key = ftok("/home/linux",'w')) == -1){
        ERROR("ftok error");
   }

   printf("key=%#x\n",key);

   if (stat("/home/linux",&st)){
        ERROR("stat error");
   }

   printf("pro_id=%#x,devno=%#lx,ino=#=%#lx\n",'w',st.st_dev,st.st_ino);
    return 0;
}

结果图：

4.3.3消息队列的实例：(不关注类型的)

头文件:

#ifndef __MYHEAD_H__
#define __MYHEAD_H__

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

#define  PRINT_ERR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

#define MSGSIZE (sizeof(msg_t)-sizeof(long))

typedef  struct mubuf{
    long mtype;
    char text[512];
}msg_t;

#endif

发送方：

#include "myhead.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key;
    int msqid;
    msg_t msg ={
        .mtype = 100,
    };

     if((key = ftok("/home/linux/",'r'))==-1)
        PRINT_ERR("ftok get key error");

    if((msqid = msgget(key,IPC_CREAT|0666))==-1)
        PRINT_ERR("create msg queue error");

    while (1){
        memset(msg.text,0,sizeof(msg.text));
        fgets(msg.text,MSGSIZE,stdin);
        msg.text[strlen(msg.text) - 1] = '\0';

        msgsnd(msqid, &msg, MSGSIZE, 0);

        if (!strncmp(msg.text,"quit",4)){
            break;
        }
    }

    msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}

接受方：

#include "myhead.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key;
    int msgqid;
    msg_t msg;

    if ((key = ftok("/home/linux",'r')) == -1){
        PRINT_ERR("ftok error");
    }

    if ((msgqid = msgget(key, IPC_CREAT|0666)) == -1){
        PRINT_ERR("msgget error");
    }

    while (1){
        memset(msg.text, 0, sizeof(msg.text));
        msgrcv(msgqid, &msg, MSGSIZE,0,0);

        if (!strncmp("quit",msg.text,4)){
            break;
        }

        printf("%s\n",msg.text);
    }

    msgctl(msgqid,IPC_RMID,NULL);
    return 0;
}

4.3.4消息队列的实例：(关注类型的)

头文件：

#ifndef __MSGQUE_H__
#define __MSGQUE_H__

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

typedef struct msgbuf {
    long id;
    char name[30];
    char sex;
    int age;
}msg_t;

#define MSGSIZE (sizeof(msg_t)-sizeof(long))

#endif

发送方：

#include "msgqueue.h"
#include <head.h>

int main(int argc, const char* argv[])
{
    key_t key;
    int msqid;

    if ((key = ftok("/home/linux/", 'r')) == -1)
        PRINT_ERR("ftok get key error");

    if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) == -1)
        PRINT_ERR("create msg queue error");

    msg_t m1 = {
        .id = 1,
        .name = "zhangsan",
        .sex = 'm',
        .age = 30,
    };
    msgsnd(msqid, &m1, MSGSIZE, 0);
    msg_t m2 = {
        .id = 2,
        .name = "lisi",
        .sex = 'w',
        .age = 18,
    };
    msgsnd(msqid, &m2, MSGSIZE, 0);
    msg_t m3 = {
        .id = 3,
        .name = "wangwu",
        .sex = 'm',
        .age = 22,
    };
    msgsnd(msqid, &m3, MSGSIZE, 0);

    // msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

接受方：

#include "msgqueue.h"

int main(int argc, const char* argv[])
{
    key_t key;
    int msqid;
    msg_t msg;

    if ((key = ftok("/home/linux/", 'r')) == -1)
        PRINT_ERR("ftok get key error");

    if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) == -1)
        PRINT_ERR("create msg queue error");

    memset(&msg, 0, sizeof msg);
    msgrcv(msqid, &msg, MSGSIZE, atoi(argv[1]), 0);
    printf("id=%ld,name=%s,sec=%c,age=%d\n",msg.id,msg.name,msg.sex,msg.age);

    // msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

结果图：

4.4共享内存

4.4.1原理：

共享内存：在内核空间创建共享内存，让用户的A和B进程都能够访问到。通过这块内存

进行数据的传递。共享内存所有的进程间通信中效率最高的方式（不需要来回拷贝数据），共享内存的大小为 4k整数倍。

4.4.2实例

接受方：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define  PRINT_ERR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key;
    int shmid;
    char* over;

    if ((key = ftok("/home/linux", 'r')) == -1){
        PRINT_ERR("ftok error");
    }

    if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT|0666)) == -1){
        PRINT_ERR("shemget error");
    }

    if ((over = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void*)-1){
        PRINT_ERR("shmat error");
    }

    while (1){
        if (!strncmp("quit", over, 4))break;
        getchar();

        printf("%s\n",over);
    }

    if (shmdt(over)){
        PRINT_ERR("shmdt error");
    }

    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    return 0;
}

发送方：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define  PRINT_ERR(msg) do{\
    printf("%s %s %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);\
    printf(msg);\
    exit(-1); \
}while(0)

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key;
    int shmid;
    char* over;

    if ((key = ftok("/home/linux", 'r')) == -1){
        PRINT_ERR("ftok error");
    }

    if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT|0666)) == -1){
        PRINT_ERR("shmget error\n");
    }

    if ((over = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void*)-1){
        PRINT_ERR("shmat error\n");
    }

    while (1){
        printf("请输入>>");
        fgets(over,4096,stdin);
        over[strlen(over) - 1] = '\0';

        if (!strncmp("quit",over,4)){
            break;
        }
    }

    if (shmdt(over)){
        PRINT_ERR("shmdt error\n");
    }

    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    return 0;
}

4.5信号灯集合

信号量的原理

信号量：又叫信号灯集，它是实现进程间同步的机制。在一个信号灯集中可以有很多的信号灯，这些信号灯它们的工作相关不干扰。一般使用的时候使用的是二值信号灯。

信号灯集函数的封装

sem.h

#ifndef __SEM_H__
#define __SEM_H__

int mysem_init(int nsems);
int P(int semid, int semnum);
int V(int semid, int semnum);
int sem_del(int semid);

#endif
sem.c
#include <head.h>

union semun {
    int val; /* Value for SETVAL */
    struct semid_ds* buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */
};

int semnum_init_value(int semid, int which, int value)
{
    union semun sem = {
        .val = value,
    };
    if (semctl(semid, which, SETVAL, sem) == -1)
        PRINT_ERR("semctl int value error");
    return 0;
}

//初始化信号灯集
int mysem_init(int nsems)
{
    key_t key;
    int semid;
    // 1.通过ftok获取键值
    if ((key = ftok("/home/linux/", 'g')) == -1)
        PRINT_ERR("get key error");
    // 2.如果不选择就创建信号灯集，如果存在返回已存在的错误
    if ((semid = semget(key, nsems, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666)) == -1) {
        if (errno == EEXIST) {
            //如果已存在，这里调用semget，直接返回semid
            semid = semget(key, nsems, IPC_CREAT | 0666);
        } else {
            PRINT_ERR("create sem error");
        }
    } else {
        // 3.初始化信号灯集中的信号灯
        for (int i = 0; i < nsems; i++) {
            semnum_init_value(semid, i, !i);
        }
    }

    return semid;
}

//申请资源
int P(int semid, int semnum)
{
    struct sembuf buf = {
        .sem_num = semnum,
        .sem_op = -1,
        .sem_flg = 0,
    };

    if (semop(semid, &buf, 1))
        PRINT_ERR("request resource error");

    return 0;
}
//释放资源
int V(int semid, int semnum)
{
    struct sembuf buf = {
        .sem_num = semnum,
        .sem_op = 1,
        .sem_flg = 0,
    };

    if (semop(semid, &buf, 1))
        PRINT_ERR("free resource error");

    return 0;
}
//删除信号灯集
int sem_del(int semid)
{
    semctl(semid,0,IPC_RMID);
}

用信号灯集实现进程同步

写端：

#include <head.h>
#include "sem.h"

int main(int argc, const char* argv[])
{
    key_t key;
    int shmid,semid;
    char* waddr;
    //0.信号量的初始化
    semid = mysem_init(2);
    if(semid == -1){
        printf("sem init error");
        return -1;
    }
    // 1.获取key
    if ((key = ftok("/home/linux", 'p')) == -1)
        PRINT_ERR("get key error");
    // 2.创建共享内存
    if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) == -1)
        PRINT_ERR("create share memory error");
    // 3.将共享内存映射到用户空间
    if ((waddr = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void*)-1)
        PRINT_ERR("shmat error");
    printf("waddr = %p\n", waddr);
    // 4.写操作
    while (1) {
        P(semid,0);
        printf("input > ");
        fgets(waddr, 4096, stdin);
        waddr[strlen(waddr) - 1] = '\0';
        if (strncmp(waddr, "quit", 4) == 0)
            break;
        V(semid,1);
    }
    // 5.取消地址映射
    if (shmdt(waddr))
        PRINT_ERR("shmdt error");

    // 6.删除共享内存
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL))
        PRINT_ERR("shmrm error");
    //7.删除信号量
    sem_del(semid);
    return 0;
}

读端口：

#include "sem.h"
#include <head.h>
int main(int argc, const char* argv[])
{
    key_t key;
    int shmid, semid;
    char* raddr;
    // 0.信号量的初始化
    semid = mysem_init(2);
    if (semid == -1) {
        printf("sem init error");
        return -1;
    }
    // 1.获取key
    if ((key = ftok("/home/linux", 'p')) == -1)
        PRINT_ERR("get key error");
    // 2.创建共享内存
    if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) == -1)
        PRINT_ERR("create share memory error");

    // 3.将共享内存映射到用户空间
    if ((raddr = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void*)-1)
        PRINT_ERR("shmat error");

    printf("waddr = %p\n", raddr);
    // 4.读操作
    while (1) {
        P(semid,1);
        printf("raddr = %s\n", raddr);
        if (strncmp(raddr, "quit", 4) == 0)
            break;
        V(semid,0);
    }
    // 5.取消地址映射
    if (shmdt(raddr))
        PRINT_ERR("shmdt error");

    // 6.删除共享内存
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

    //7.删除信号量
    sem_del(semid);
    return 0;
}

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2.1有名管道的原理

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2.3有名管道实例

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3.1信号的概念

3.2发送信号的函数

3.3常用的信号

3.4实例

四.IPC进程间通信

4.1IPC进程间通信的种类

4.2查看IPC进程间通信的命令

4.3消息队列

4.4共享内存

4.5信号灯集合

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