程式間的五種通訊方式介紹

程式間通訊（IPC，InterProcess Communication）是指在不同程式之間傳播或交換資訊。

IPC的方式通常有管道（包括無名管道和命名管道）、訊息佇列、訊號量、共享儲存、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支援不同主機上的兩個程式IPC。

以Linux中的C語言程式設計為例。

一、管道

管道，通常指無名管道，是 UNIX 系統IPC最古老的形式。

1、特點：

1. 它是半雙工的（即資料只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端。

2. 它只能用於具有親緣關係的程式之間的通訊（也是父子程式或者兄弟程式之間）。

3. 它可以看成是一種特殊的檔案，對於它的讀寫也可以使用普通的read、write 等函式。但是它不是普通的檔案，並不屬於其他任何檔案系統，並且只存在於記憶體中。

一、管道

管道，通常指無名管道，是 UNIX 系統IPC最古老的形式。

1、特點：

1. 它是半雙工的（即資料只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端。

2. 它只能用於具有親緣關係的程式之間的通訊（也是父子程式或者兄弟程式之間）。

3. 它可以看成是一種特殊的檔案，對於它的讀寫也可以使用普通的read、write 等函式。但是它不是普通的檔案，並不屬於其他任何檔案系統，並且只存在於記憶體中。

2、原型：

1 #include <unistd.h>
2 int pipe(int fd[2]);    // 返回值：若成功返回0，失敗返回-1

當一個管道建立時，它會建立兩個檔案描述符：fd[0]為讀而開啟，fd[1]為寫而開啟。如下圖：

要關閉管道只需將這兩個檔案描述符關閉即可。

3、例子

單個程式中的管道幾乎沒有任何用處。所以，通常呼叫 pipe 的程式接著呼叫 fork，這樣就建立了父程式與子程式之間的 IPC 通道。如下圖所示：

若要資料流從父程式流向子程式，則關閉父程式的讀端（fd[0]）與子程式的寫端（fd[1]）；反之，則可以使資料流從子程式流向父程式。

 1 #include<stdio.h>
 2 #include<unistd.h>
 3 
 4 int main()
 5 {
 6     int fd[2];  // 兩個檔案描述符
 7     pid_t pid;
 8     char buff[20];
 9 
10     if(pipe(fd) < 0)  // 建立管道
11         printf("Create Pipe Error!\n");
12 
13     if((pid = fork()) < 0)  // 建立子程式
14         printf("Fork Error!\n");
15     else if(pid > 0)  // 父程式
16     {
17         close(fd[0]); // 關閉讀端
18         write(fd[1], "hello world\n", 12);
19     }
20     else
21     {
22         close(fd[1]); // 關閉寫端
23         read(fd[0], buff, 20);
24         printf("%s", buff);
25     }
26 
27     return 0;
28 }

二、FIFO

FIFO，也稱為命名管道，它是一種檔案型別。

1、特點

1. FIFO可以在無關的程式之間交換資料，與無名管道不同。

2. FIFO有路徑名與之相關聯，它以一種特殊裝置檔案形式存在於檔案系統中。

2、原型

1 #include <sys/stat.h>
2 // 返回值：成功返回0，出錯返回-1
3 int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

其中的 mode 引數與open函式中的 mode 相同。一旦建立了一個 FIFO，就可以用一般的檔案I/O函式操作它。

當 open 一個FIFO時，是否設定非阻塞標誌（O_NONBLOCK）的區別：

• 若沒有指定O_NONBLOCK（預設），只讀 open 要阻塞到某個其他程式為寫而開啟此 FIFO。類似的，只寫 open 要阻塞到某個其他程式為讀而開啟它。

• 若指定了O_NONBLOCK，則只讀 open 立即返回。而只寫 open 將出錯返回 -1 如果沒有程式已經為讀而開啟該 FIFO，其errno置ENXIO。

3、例子

FIFO的通訊方式類似於在程式中使用檔案來傳輸資料，只不過FIFO型別檔案同時具有管道的特性。在資料讀出時，FIFO管道中同時清除資料，並且“先進先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 進行 IPC 的過程：

write_fifo.c

 1 #include<stdio.h>
 2 #include<stdlib.h>   // exit
 3 #include<fcntl.h>    // O_WRONLY
 4 #include<sys/stat.h>
 5 #include<time.h>     // time
 6 
 7 int main()
 8 {
 9     int fd;
10     int n, i;
11     char buf[1024];
12     time_t tp;
13 
14     printf("I am %d process.\n", getpid()); // 說明程式ID
15     
16     if((fd = open("fifo1", O_WRONLY)) < 0) // 以寫開啟一個FIFO 
17     {
18         perror("Open FIFO Failed");
19         exit(1);
20     }
21 
22     for(i=0; i<10; ++i)
23     {
24         time(&tp);  // 取系統當前時間
25         n=sprintf(buf,"Process %d's time is %s",getpid(),ctime(&tp));
26         printf("Send message: %s", buf); // 列印
27         if(write(fd, buf, n+1) < 0)  // 寫入到FIFO中
28         {
29             perror("Write FIFO Failed");
30             close(fd);
31             exit(1);
32         }
33         sleep(1);  // 休眠1秒
34     }
35 
36     close(fd);  // 關閉FIFO檔案
37     return 0;
38 }

read_fifo.c

 1 #include<stdio.h>
 2 #include<stdlib.h>
 3 #include<errno.h>
 4 #include<fcntl.h>
 5 #include<sys/stat.h>
 6 
 7 int main()
 8 {
 9     int fd;
10     int len;
11     char buf[1024];
12 
13     if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 建立FIFO管道
14         perror("Create FIFO Failed");
15 
16     if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0)  // 以讀開啟FIFO
17     {
18         perror("Open FIFO Failed");
19         exit(1);
20     }
21     
22     while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 讀取FIFO管道
23         printf("Read message: %s", buf);
24 
25     close(fd);  // 關閉FIFO檔案
26     return 0;
27 }

在兩個終端裡用 gcc 分別編譯執行上面兩個檔案，可以看到輸出結果如下：

 1 [cheesezh@localhost]$ ./write_fifo 
 2 I am 5954 process.
 3 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
 4 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
 5 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
 6 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
 7 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
 8 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
 9 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
10 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
11 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
12 Send message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015

 

 1 [cheesezh@localhost]$ ./read_fifo 
 2 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:28 2015
 3 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:29 2015
 4 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:30 2015
 5 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:31 2015
 6 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:32 2015
 7 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:33 2015
 8 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:34 2015
 9 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:35 2015
10 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:36 2015
11 Read message: Process 5954's time is Mon Apr 20 12:37:37 2015

上述例子可以擴充套件成 客戶程式—伺服器程式 通訊的例項，write_fifo的作用類似於客戶端，可以開啟多個客戶端向一個伺服器傳送請求資訊，read_fifo類似於伺服器，它適時監控著FIFO的讀端，當有資料時，讀出並進行處理，但是有一個關鍵的問題是，每一個客戶端必須預先知道伺服器提供的FIFO介面，下圖顯示了這種安排：

三、訊息佇列

訊息佇列，是訊息的連結表，存放在核心中。一個訊息佇列由一個識別符號（即佇列ID）來標識。

1、特點

1. 訊息佇列是面向記錄的，其中的訊息具有特定的格式以及特定的優先順序。

2. 訊息佇列獨立於傳送與接收程式。程式終止時，訊息佇列及其內容並不會被刪除。

3. 訊息佇列可以實現訊息的隨機查詢,訊息不一定要以先進先出的次序讀取,也可以按訊息的型別讀取。

2、原型

1 #include <sys/msg.h>
2 // 建立或開啟訊息佇列：成功返回佇列ID，失敗返回-1
3 int msgget(key_t key, int flag);
4 // 新增訊息：成功返回0，失敗返回-1
5 int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t size, int flag);
6 // 讀取訊息：成功返回訊息資料的長度，失敗返回-1
7 int msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t size, long type,int flag);
8 // 控制訊息佇列：成功返回0，失敗返回-1
9 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

在以下兩種情況下，msgget將建立一個新的訊息佇列：

• 如果沒有與鍵值key相對應的訊息佇列，並且flag中包含了IPC_CREAT標誌位。
• key引數為IPC_PRIVATE。

函式msgrcv在讀取訊息佇列時，type引數有下面幾種情況：

• type == 0，返回佇列中的第一個訊息；
• type > 0，返回佇列中訊息型別為 type 的第一個訊息；
• type < 0，返回佇列中訊息型別值小於或等於 type 絕對值的訊息，如果有多個，則取型別值最小的訊息。

可以看出，type值非 0 時用於以非先進先出次序讀訊息。也可以把 type 看做優先順序的權值。（其他的引數解釋，請自行Google之）

3、例子

下面寫了一個簡單的使用訊息佇列進行IPC的例子，服務端程式一直在等待特定型別的訊息，當收到該型別的訊息以後，傳送另一種特定型別的訊息作為反饋，客戶端讀取該反饋並列印出來。

msg_server.c

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <sys/msg.h>
 4 
 5 // 用於建立一個唯一的key
 6 #define MSG_FILE "/etc/passwd"
 7 
 8 // 訊息結構
 9 struct msg_form {
10     long mtype;
11     char mtext[256];
12 };
13 
14 int main()
15 {
16     int msqid;
17     key_t key;
18     struct msg_form msg;
19     
20     // 獲取key值
21     if((key = ftok(MSG_FILE,'z')) < 0)
22     {
23         perror("ftok error");
24         exit(1);
25     }
26 
27     // 列印key值
28     printf("Message Queue - Server key is: %d.\n", key);
29 
30     // 建立訊息佇列
31     if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
32     {
33         perror("msgget error");
34         exit(1);
35     }
36 
37     // 列印訊息佇列ID及程式ID
38     printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
39     printf("My pid is: %d.\n", getpid());
40 
41     // 迴圈讀取訊息
42     for(;;) 
43     {
44         msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回型別為888的第一個訊息
45         printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
46         printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);
47 
48         msg.mtype = 999; // 客戶端接收的訊息型別
49         sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid());
50         msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
51     }
52     return 0;
53 }

msg_client.c

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <sys/msg.h>
 4 
 5 // 用於建立一個唯一的key
 6 #define MSG_FILE "/etc/passwd"
 7 
 8 // 訊息結構
 9 struct msg_form {
10     long mtype;
11     char mtext[256];
12 };
13 
14 int main()
15 {
16     int msqid;
17     key_t key;
18     struct msg_form msg;
19 
20     // 獲取key值
21     if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z')) < 0) 
22     {
23         perror("ftok error");
24         exit(1);
25     }
26 
27     // 列印key值
28     printf("Message Queue - Client key is: %d.\n", key);
29 
30     // 開啟訊息佇列
31     if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) 
32     {
33         perror("msgget error");
34         exit(1);
35     }
36 
37     // 列印訊息佇列ID及程式ID
38     printf("My msqid is: %d.\n", msqid);
39     printf("My pid is: %d.\n", getpid());
40 
41     // 新增訊息，型別為888
42     msg.mtype = 888;
43     sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid());
44     msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
45 
46     // 讀取型別為777的訊息
47     msgrcv(msqid, &msg, 256, 999, 0);
48     printf("Client: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext);
49     printf("Client: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype);
50     return 0;
51 }

四、訊號量

訊號量（semaphore）與已經介紹過的 IPC 結構不同，它是一個計數器。訊號量用於實現程式間的互斥與同步，而不是用於儲存程式間通訊資料。

1、特點

1. 訊號量用於程式間同步，若要在程式間傳遞資料需要結合共享記憶體。

2. 訊號量基於作業系統的 PV 操作，程式對訊號量的操作都是原子操作。

3. 每次對訊號量的 PV 操作不僅限於對訊號量值加 1 或減 1，而且可以加減任意正整數。

4. 支援訊號量組。

2、原型

最簡單的訊號量是隻能取 0 和 1 的變數，這也是訊號量最常見的一種形式，叫做二值訊號量（Binary Semaphore）。而可以取多個正整數的訊號量被稱為通用訊號量。

Linux 下的訊號量函式都是在通用的訊號量陣列上進行操作，而不是在一個單一的二值訊號量上進行操作。

1 #include <sys/sem.h>
2 // 建立或獲取一個訊號量組：若成功返回訊號量集ID，失敗返回-1
3 int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
4 // 對訊號量組進行操作，改變訊號量的值：成功返回0，失敗返回-1
5 int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
6 // 控制訊號量的相關資訊
7 int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

當semget建立新的訊號量集合時，必須指定集合中訊號量的個數（即num_sems），通常為1； 如果是引用一個現有的集合，則將num_sems指定為 0 。

在semop函式中，sembuf結構的定義如下：

1 struct sembuf 
2 {
3     short sem_num; // 訊號量組中對應的序號，0～sem_nums-1
4     short sem_op;  // 訊號量值在一次操作中的改變數
5     short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
6 }

其中 sem_op 是一次操作中的訊號量的改變數：

• 若sem_op > 0，表示程式釋放相應的資源數，將 sem_op 的值加到訊號量的值上。如果有程式正在休眠等待此訊號量，則換行它們。

• 若sem_op < 0，請求 sem_op 的絕對值的資源。

  • 如果相應的資源數可以滿足請求，則將該訊號量的值減去sem_op的絕對值，函式成功返回。
  • 當相應的資源數不能滿足請求時，這個操作與sem_flg有關。
    • sem_flg 指定IPC_NOWAIT，則semop函式出錯返回EAGAIN。
    • sem_flg 沒有指定IPC_NOWAIT，則將該訊號量的semncnt值加1，然後程式掛起直到下述情況發生：
      1. 當相應的資源數可以滿足請求，此訊號量的semncnt值減1，該訊號量的值減去sem_op的絕對值。成功返回；
      2. 此訊號量被刪除，函式smeop出錯返回EIDRM；
      3. 程式捕捉到訊號，並從訊號處理函式返回，此情況下將此訊號量的semncnt值減1，函式semop出錯返回EINTR

• 若sem_op == 0，程式阻塞直到訊號量的相應值為0：

  • 當訊號量已經為0，函式立即返回。
  • 如果訊號量的值不為0，則依據sem_flg決定函式動作：
    • sem_flg指定IPC_NOWAIT，則出錯返回EAGAIN。
    • sem_flg沒有指定IPC_NOWAIT，則將該訊號量的semncnt值加1，然後程式掛起直到下述情況發生：
      1. 訊號量值為0，將訊號量的semzcnt的值減1，函式semop成功返回；
      2. 此訊號量被刪除，函式smeop出錯返回EIDRM；
      3. 程式捕捉到訊號，並從訊號處理函式返回，在此情況將此訊號量的semncnt值減1，函式semop出錯返回EINTR

在semctl函式中的命令有多種，這裡就說兩個常用的：

• SETVAL：用於初始化訊號量為一個已知的值。所需要的值作為聯合semun的val成員來傳遞。在訊號量第一次使用之前需要設定訊號量。
• IPC_RMID：刪除一個訊號量集合。如果不刪除訊號量，它將繼續在系統中存在，即使程式已經退出，它可能在你下次執行此程式時引發問題，而且訊號量是一種有限的資源。

3、例子

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<sys/sem.h>
  4 
  5 // 聯合體，用於semctl初始化
  6 union semun
  7 {
  8     int              val; /*for SETVAL*/
  9     struct semid_ds *buf;
 10     unsigned short  *array;
 11 };
 12 
 13 // 初始化訊號量
 14 int init_sem(int sem_id, int value)
 15 {
 16     union semun tmp;
 17     tmp.val = value;
 18     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
 19     {
 20         perror("Init Semaphore Error");
 21         return -1;
 22     }
 23     return 0;
 24 }
 25 
 26 // P操作:
 27 //    若訊號量值為1，獲取資源並將訊號量值-1 
 28 //    若訊號量值為0，程式掛起等待
 29 int sem_p(int sem_id)
 30 {
 31     struct sembuf sbuf;
 32     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
 33     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
 34     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 35 
 36     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 37     {
 38         perror("P operation Error");
 39         return -1;
 40     }
 41     return 0;
 42 }
 43 
 44 // V操作：
 45 //    釋放資源並將訊號量值+1
 46 //    如果有程式正在掛起等待，則喚醒它們
 47 int sem_v(int sem_id)
 48 {
 49     struct sembuf sbuf;
 50     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
 51     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
 52     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 53 
 54     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 55     {
 56         perror("V operation Error");
 57         return -1;
 58     }
 59     return 0;
 60 }
 61 
 62 // 刪除訊號量集
 63 int del_sem(int sem_id)
 64 {
 65     union semun tmp;
 66     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
 67     {
 68         perror("Delete Semaphore Error");
 69         return -1;
 70     }
 71     return 0;
 72 }
 73 
 74 
 75 int main()
 76 {
 77     int sem_id;  // 訊號量集ID
 78     key_t key;  
 79     pid_t pid;
 80 
 81     // 獲取key值
 82     if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
 83     {
 84         perror("ftok error");
 85         exit(1);
 86     }
 87 
 88     // 建立訊號量集，其中只有一個訊號量
 89     if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
 90     {
 91         perror("semget error");
 92         exit(1);
 93     }
 94 
 95     // 初始化：初值設為0資源被佔用
 96     init_sem(sem_id, 0);
 97 
 98     if((pid = fork()) == -1)
 99         perror("Fork Error");
100     else if(pid == 0) /*子程式*/ 
101     {
102         sleep(2);
103         printf("Process child: pid=%d\n", getpid());
104         sem_v(sem_id);  /*釋放資源*/
105     }
106     else  /*父程式*/
107     {
108         sem_p(sem_id);   /*等待資源*/
109         printf("Process father: pid=%d\n", getpid());
110         sem_v(sem_id);   /*釋放資源*/
111         del_sem(sem_id); /*刪除訊號量集*/
112     }
113     return 0;
114 }

上面的例子如果不加訊號量，則父程式會先執行完畢。這裡加了訊號量讓父程式等待子程式執行完以後再執行。

五、共享記憶體

共享記憶體（Shared Memory），指兩個或多個程式共享一個給定的儲存區。

1、特點

1. 共享記憶體是最快的一種 IPC，因為程式是直接對記憶體進行存取。

2. 因為多個程式可以同時操作，所以需要進行同步。

3. 訊號量+共享記憶體通常結合在一起使用，訊號量用來同步對共享記憶體的訪問。

2、原型

1 #include <sys/shm.h>
2 // 建立或獲取一個共享記憶體：成功返回共享記憶體ID，失敗返回-1
3 int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
4 // 連線共享記憶體到當前程式的地址空間：成功返回指向共享記憶體的指標，失敗返回-1
5 void *shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
6 // 斷開與共享記憶體的連線：成功返回0，失敗返回-1
7 int shmdt(void *addr); 
8 // 控制共享記憶體的相關資訊：成功返回0，失敗返回-1
9 int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

當用shmget函式建立一段共享記憶體時，必須指定其 size；而如果引用一個已存在的共享記憶體，則將 size 指定為0 。

當一段共享記憶體被建立以後，它並不能被任何程式訪問。必須使用shmat函式連線該共享記憶體到當前程式的地址空間，連線成功後把共享記憶體區物件對映到呼叫程式的地址空間，隨後可像本地空間一樣訪問。

shmdt函式是用來斷開shmat建立的連線的。注意，這並不是從系統中刪除該共享記憶體，只是當前程式不能再訪問該共享記憶體而已。

shmctl函式可以對共享記憶體執行多種操作，根據引數 cmd 執行相應的操作。常用的是IPC_RMID（從系統中刪除該共享記憶體）。

3、例子

下面這個例子，使用了【共享記憶體+訊號量+訊息佇列】的組合來實現伺服器程式與客戶程式間的通訊。

• 共享記憶體用來傳遞資料；
• 訊號量用來同步；
• 訊息佇列用來 在客戶端修改了共享記憶體後 通知伺服器讀取。

server.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<sys/shm.h>  // shared memory
  4 #include<sys/sem.h>  // semaphore
  5 #include<sys/msg.h>  // message queue
  6 #include<string.h>   // memcpy
  7 
  8 // 訊息佇列結構
  9 struct msg_form {
 10     long mtype;
 11     char mtext;
 12 };
 13 
 14 // 聯合體，用於semctl初始化
 15 union semun
 16 {
 17     int              val; /*for SETVAL*/
 18     struct semid_ds *buf;
 19     unsigned short  *array;
 20 };
 21 
 22 // 初始化訊號量
 23 int init_sem(int sem_id, int value)
 24 {
 25     union semun tmp;
 26     tmp.val = value;
 27     if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
 28     {
 29         perror("Init Semaphore Error");
 30         return -1;
 31     }
 32     return 0;
 33 }
 34 
 35 // P操作:
 36 //  若訊號量值為1，獲取資源並將訊號量值-1 
 37 //  若訊號量值為0，程式掛起等待
 38 int sem_p(int sem_id)
 39 {
 40     struct sembuf sbuf;
 41     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
 42     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
 43     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 44 
 45     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 46     {
 47         perror("P operation Error");
 48         return -1;
 49     }
 50     return 0;
 51 }
 52 
 53 // V操作：
 54 //  釋放資源並將訊號量值+1
 55 //  如果有程式正在掛起等待，則喚醒它們
 56 int sem_v(int sem_id)
 57 {
 58     struct sembuf sbuf;
 59     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
 60     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
 61     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 62 
 63     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 64     {
 65         perror("V operation Error");
 66         return -1;
 67     }
 68     return 0;
 69 }
 70 
 71 // 刪除訊號量集
 72 int del_sem(int sem_id)
 73 {
 74     union semun tmp;
 75     if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
 76     {
 77         perror("Delete Semaphore Error");
 78         return -1;
 79     }
 80     return 0;
 81 }
 82 
 83 // 建立一個訊號量集
 84 int creat_sem(key_t key)
 85 {
 86     int sem_id;
 87     if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
 88     {
 89         perror("semget error");
 90         exit(-1);
 91     }
 92     init_sem(sem_id, 1);  /*初值設為1資源未佔用*/
 93     return sem_id;
 94 }
 95 
 96 
 97 int main()
 98 {
 99     key_t key;
100     int shmid, semid, msqid;
101     char *shm;
102     char data[] = "this is server";
103     struct shmid_ds buf1;  /*用於刪除共享記憶體*/
104     struct msqid_ds buf2;  /*用於刪除訊息佇列*/
105     struct msg_form msg;  /*訊息佇列用於通知對方更新了共享記憶體*/
106 
107     // 獲取key值
108     if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
109     {
110         perror("ftok error");
111         exit(1);
112     }
113 
114     // 建立共享記憶體
115     if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1)
116     {
117         perror("Create Shared Memory Error");
118         exit(1);
119     }
120 
121     // 連線共享記憶體
122     shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
123     if((int)shm == -1)
124     {
125         perror("Attach Shared Memory Error");
126         exit(1);
127     }
128 
129 
130     // 建立訊息佇列
131     if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1)
132     {
133         perror("msgget error");
134         exit(1);
135     }
136 
137     // 建立訊號量
138     semid = creat_sem(key);
139     
140     // 讀資料
141     while(1)
142     {
143         msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0); /*讀取型別為888的訊息*/
144         if(msg.mtext == 'q')  /*quit - 跳出迴圈*/ 
145             break;
146         if(msg.mtext == 'r')  /*read - 讀共享記憶體*/
147         {
148             sem_p(semid);
149             printf("%s\n",shm);
150             sem_v(semid);
151         }
152     }
153 
154     // 斷開連線
155     shmdt(shm);
156 
157     /*刪除共享記憶體、訊息佇列、訊號量*/
158     shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1);
159     msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2);
160     del_sem(semid);
161     return 0;
162 }

client.c

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<sys/shm.h>  // shared memory
  4 #include<sys/sem.h>  // semaphore
  5 #include<sys/msg.h>  // message queue
  6 #include<string.h>   // memcpy
  7 
  8 // 訊息佇列結構
  9 struct msg_form {
 10     long mtype;
 11     char mtext;
 12 };
 13 
 14 // 聯合體，用於semctl初始化
 15 union semun
 16 {
 17     int              val; /*for SETVAL*/
 18     struct semid_ds *buf;
 19     unsigned short  *array;
 20 };
 21 
 22 // P操作:
 23 //  若訊號量值為1，獲取資源並將訊號量值-1 
 24 //  若訊號量值為0，程式掛起等待
 25 int sem_p(int sem_id)
 26 {
 27     struct sembuf sbuf;
 28     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
 29     sbuf.sem_op = -1; /*P操作*/
 30     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 31 
 32     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 33     {
 34         perror("P operation Error");
 35         return -1;
 36     }
 37     return 0;
 38 }
 39 
 40 // V操作：
 41 //  釋放資源並將訊號量值+1
 42 //  如果有程式正在掛起等待，則喚醒它們
 43 int sem_v(int sem_id)
 44 {
 45     struct sembuf sbuf;
 46     sbuf.sem_num = 0; /*序號*/
 47     sbuf.sem_op = 1;  /*V操作*/
 48     sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;
 49 
 50     if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
 51     {
 52         perror("V operation Error");
 53         return -1;
 54     }
 55     return 0;
 56 }
 57 
 58 
 59 int main()
 60 {
 61     key_t key;
 62     int shmid, semid, msqid;
 63     char *shm;
 64     struct msg_form msg;
 65     int flag = 1; /*while迴圈條件*/
 66 
 67     // 獲取key值
 68     if((key = ftok(".", 'z')) < 0)
 69     {
 70         perror("ftok error");
 71         exit(1);
 72     }
 73 
 74     // 獲取共享記憶體
 75     if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1)
 76     {
 77         perror("shmget error");
 78         exit(1);
 79     }
 80 
 81     // 連線共享記憶體
 82     shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
 83     if((int)shm == -1)
 84     {
 85         perror("Attach Shared Memory Error");
 86         exit(1);
 87     }
 88 
 89     // 建立訊息佇列
 90     if ((msqid = msgget(key, 0)) == -1)
 91     {
 92         perror("msgget error");
 93         exit(1);
 94     }
 95 
 96     // 獲取訊號量
 97     if((semid = semget(key, 0, 0)) == -1)
 98     {
 99         perror("semget error");
100         exit(1);
101     }
102     
103     // 寫資料
104     printf("***************************************\n");
105     printf("*                 IPC                 *\n");
106     printf("*    Input r to send data to server.  *\n");
107     printf("*    Input q to quit.                 *\n");
108     printf("***************************************\n");
109     
110     while(flag)
111     {
112         char c;
113         printf("Please input command: ");
114         scanf("%c", &c);
115         switch(c)
116         {
117             case 'r':
118                 printf("Data to send: ");
119                 sem_p(semid);  /*訪問資源*/
120                 scanf("%s", shm);
121                 sem_v(semid);  /*釋放資源*/
122                 /*清空標準輸入緩衝區*/
123                 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
124                 msg.mtype = 888;  
125                 msg.mtext = 'r';  /*傳送訊息通知伺服器讀資料*/
126                 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
127                 break;
128             case 'q':
129                 msg.mtype = 888;
130                 msg.mtext = 'q';
131                 msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
132                 flag = 0;
133                 break;
134             default:
135                 printf("Wrong input!\n");
136                 /*清空標準輸入緩衝區*/
137                 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);
138         }
139     }
140 
141     // 斷開連線
142     shmdt(shm);
143 
144     return 0;
145 }

注意：當scanf()輸入字元或字串時，緩衝區中遺留下了\n，所以每次輸入操作後都需要清空標準輸入的緩衝區。但是由於 gcc 編譯器不支援fflush(stdin)（它只是標準C的擴充套件），所以我們使用了替代方案：

1 while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF);

 

 

五種通訊方式總結

 

 

1.管道：速度慢，容量有限，只有父子程式能通訊    

2.FIFO：任何程式間都能通訊，但速度慢    

3.訊息佇列：容量受到系統限制，且要注意第一次讀的時候，要考慮上一次沒有讀完資料的問題    

4.訊號量：不能傳遞複雜訊息，只能用來同步    

5.共享記憶體區：能夠很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一個程式在寫的時候，另一個程式要注意讀寫的問題，相當於執行緒中的執行緒安全，當然，共享記憶體區同樣可以用作執行緒間通訊，不過沒這個必要，執行緒間本來就已經共享了同一程式內的一塊記憶體

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