轻松掌握IPC技巧，读懂Linux进程间通信(一)

由于现代操作系统中，进程间都是地址空间隔离的，每一个进程都有独立的地址空间，而我们的业务软件为了良好的架构和运维都会进行模块化设计，IPC进程间通信是一个必须要掌握的技能。进程间通信（IPC）是指在不同进程之间传递数据或信号的一系列方法。进程间通信有很多种方式，每种方式都会有自己的特点。

在Linux系统中，IPC包括多种机制，主要有管道（Pipes）、信号（Signals）、消息队列（Message Queues）、共享内存（Shared Memory）和信号量（Semaphores）、套接字（socket）、内存映射等，今天先介绍前四种。

1. 管道（Pipes）

管道是最简单的IPC形式。我们可以把它想象成一个数据流水线，一个进程在管道的一端放入数据，另一个进程从另一端取出数据。管道分为匿名管道和命名管道。

匿名管道是临时的，通常用于父子进程间的通信。

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

int main() {
    int pipefd[2];
    pid_t cpid;
    char buf;
    
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        return 1;
    }
    
    cpid = fork();
    if (cpid == -1) {
        perror("fork");
        return 1;
    }
    
    if (cpid == 0) {    // 子进程
        close(pipefd[1]); // 关闭写端
        while (read(pipefd[0], &buf, 1) > 0) {
            write(STDOUT_FILENO, &buf, 1);
        }
        write(STDOUT_FILENO, "n", 1);
        close(pipefd[0]);
        _exit(0);
    } else {            // 父进程
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        write(pipefd[1], "Hello, World!", 13);
        close(pipefd[1]);
        wait(NULL);
        return 0;
    }
}

命名管道（FIFO）是一种特殊文件类型，在文件系统中有对应的文件名。可以用于不相关进程间的通信。

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

int main() {
    int fd;
    char *myfifo = "/tmp/myfifo";
    mkfifo(myfifo, 0666); // 创建命名管道

    char arr1[80], arr2[80];
    // 写入数据
    fd = open(myfifo, O_WRONLY);
    fgets(arr2, 80, stdin);
    write(fd, arr2, sizeof(arr2));
    close(fd);

    // 读取数据
    fd = open(myfifo, O_RDONLY);
    read(fd, arr1, sizeof(arr1));
    printf("User2: %sn", arr1);
    close(fd);

    return 0;
}

2. 信号（Signals）

信号是一种较为简单的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。以下是一个捕获SIGINT（通常由Ctrl+C产生）的例子：

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

void sigint_handler(int sig) {
    write(1, "Caught SIGINT!n", 15);
}

int main() {
    signal(SIGINT, sigint_handler);
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3. 消息队列（Message Queues）

消息队列允许一个或多个进程向它写入消息，然后由另一个进程读取。这些消息存储在内核中，并按照顺序发送。

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

struct my_msg {
    long msg_type;
    char msg_text[100];
};

int main() {
    key_t key = ftok("ipcfile", 65); // 创建唯一的key
    int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 创建消息队列
    struct my_msg message;

    message.msg_type = 1;
    printf("Write Data : ");
    fgets(message.msg_text, sizeof(message.msg_text), stdin);

    msgsnd(msgid, &message, sizeof(message), 0); // 发送消息

    printf("Data send is : %s n", message.msg_text);
    return 0;
}

4. 共享内存（Shared Memory）

共享内存是最快的IPC方式，因为进程是直接对内存进行访问。但是，由于多个进程可以同时访问，因此需要使用信号量进行同步。

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile",65);
    int shmid = shmget(key,1024,0666|IPC_CREAT);
    char *str = (char*) shmat(shmid,(void*)0,0);

    printf("Write Data : ");
    gets(str);

    printf("Data written in memory: %sn",str);
    
    shmdt(str);
    return 0;
}

在实际应用中，选择哪种IPC机制取决于具体需求，如数据的大小、传输速度、同步与异步等。每种机制都有其适用场景和优缺点。在设计系统时，需要根据实际场景和需求进行合理选择。

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