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进程间的通信

news 来源：原创 2025/5/8 21:06:09

一.理解

1.进程间通信的目的

数据传输，资源共享，通知事件，进程控制

2.进程间通信的本质

先让不同的进程看到"同一份"资源（该资源只能由OS系统提供，不能由任何一个进程提供）

3.具体通信方式

<1>基于文件的管道通信

匿名管道通信，命名管道通信

注：一个管道只能用于单项通信

<2>System V本机通信

消息队列，信号量，共享内存

注1：System V是一种标准，Linux内核支持该标准，并专门设计了一个IPC通信模块

注2：IPC本质是让不同进程看到同一块资源

4.管道的容量

Ubuntu下管道的大小为64KB

5.管道的写入原子性

对管道进行写入只有写入失败和写入成功两种情况

6.有关管道的基本接口

<1>ssize_t read(int fd,void* buf,size_t count);

1)功能：从管道中读取数据

2)参数解释

fd：管道的文件描述符（读端）。
buf：用于存储读取数据的缓冲区。
count：要读取的最大字节数。

3)头文件：#include <unistd.h>

4)返回值

成功时返回实际读取的字节数。
失败时返回-1，并设置errno。
如果管道为空，read()会阻塞，直到有数据可读（除非设置了O_NONBLOCK标志）。

<2>ssize_t write(int fd,const void* buf,size_t count);

1)功能：向管道中写入数据

2)参数解释

fd：管道的文件描述符（写端）。
buf：包含要写入数据的缓冲区。
count：要写入的最大字节数。

3)头文件：#include <unistd.h>

4)返回值

成功时返回实际写入的字节数。
失败时返回-1，并设置errno。
如果管道已满，write()会阻塞，直到有空间可写（除非设置了O_NONBLOCK标志）。

<3>int close(int fd);

1)功能：关闭管道的文件描述符，释放资源。

2)参数解释

fd：要关闭的文件描述符。

3)头文件：#include <unistd.h>

4)返回值

成功时返回0。
失败时返回-1，并设置errno。

二.匿名管道

1.是什么？

匿名管道（Anonymous Pipe）是一种未命名的管道，它只能在本地计算机中使用，并且不可用于网络间的通信。匿名管道通过内存中共享的一段缓冲区实现进程间通信，数据从管道的写端进入，从读端被读取，遵循先进先出（FIFO）的原则。

2.使用条件

用于有血缘关系的进程间的通信（多用于父子进程间通信）

3.5种特性和4种通信情况

5种特性

<1>匿名管道是能用于进行有血缘关系的进程间的通信，多用于父子

<2>管道文件自带同步机制

<3>管道是面向字节流的

<4>管道是单向通信的（属于半双工的一种特殊情况）

<5>（管道）文件的生命周期是随进程的

4种通信情况

<1>写慢，读快：读端进入阻塞状态等待写端写入

<2>写快，读慢：写满了的时候写端进入阻塞状态，等待读端

<3>写关，继续读：read()返回0，表示文件结尾

<4>读关，写继续：写端再写入没有意义，此时OS杀死写端进程，发送异常信号13 SIGPIPE

4.匿名管道的相关接口

int pipe(int pipefd[2]);

<1>功能：用于创建无名管道（匿名管道）

<2>参数解释

pipefd:一个包含两个整型元素的数组，用于返回管道的文件描述符。

pipefd[0]：管道的读端文件描述符。

pipefd[1]：管道的写端文件描述符。

<3>头文件：#include<unistd.h>

<4>返回值

成功时返回0，并将两个文件描述符存储在pipefd数组中。

失败时返回-1，并设置errno以指示错误原因。

<5>代码实现

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {int pipefd[2];if (pipe(pipefd) == -1) {perror("pipe");return 1;}printf("读端文件描述符: %d\n", pipefd[0]);printf("写端文件描述符: %d\n", pipefd[1]);return 0;
}

5.基于匿名管道实现父子进程间通信

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {int pipefd[2];if (pipe(pipefd) == -1) {perror("pipe");return 1;}pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) { // 子进程close(pipefd[0]); // 关闭读端const char *msg = "Hello from child!";write(pipefd[1], msg, strlen(msg));close(pipefd[1]); // 关闭写端_exit(0);} else { // 父进程close(pipefd[1]); // 关闭写端char buffer[256];ssize_t bytes_read = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytes_read == -1) {perror("read");return 1;}buffer[bytes_read] = '\0';printf("Received from child: %s\n", buffer);close(pipefd[0]); // 关闭读端}return 0;
}

三.命名管道

1.是什么？

命名管道是一种特殊的文件类型，它在文件系统中有一个对应的路径名。不同进程可以通过这个路径名来访问同一个管道，从而实现进程间通信。

2.使用条件

任何两个进程间均可借助命名管道进行通信

3.命名管道的相关接口

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

<1>功能：用于创建有名管道（FIFO），有名管道在文件系统中有一个名字，可以用于无亲缘关系的进程间通信。

<2>参数解释

pathname：有名管道的路径名。
mode：文件的访问权限，通常使用S_IRUSR | S_IWUSR来设置读写权限。

<3>头文件：#include <sys/stat.h> 和 #include <sys/types.h>

<4>返回值

成功时返回0。
失败时返回-1，并设置errno。

<5>代码实现

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>int main() {const char *fifo_name = "my_fifo";mode_t mode = 0666; // 设置读写权限if (mkfifo(fifo_name, mode) == -1) {perror("mkfifo");return 1;}printf("有名管道 '%s' 创建成功\n", fifo_name);return 0;
}

4.匿名管道 VS 命名管道

特性	匿名管道	命名管道（FIFO）
命名	无名字	有名字，存在于文件系统中
通信范围	只能在具有亲缘关系的进程间通信	可以在任意进程间通信
创建方式	通过`pipe()`函数创建	通过`mkfifo()`函数创建
打开方式	直接返回文件描述符	需要通过`open()`函数打开
阻塞行为	读写操作可能阻塞	读写操作可能阻塞
生命周期	随进程结束而关闭	除非显式删除，否则一直存在

四.共享内存

1.是什么？

共享内存是一种特殊的内存区域，可以被多个进程同时访问。这些进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中，从而直接读写这块内存区域。共享内存是进程间通信速度最快的方式之一，因为它避免了数据在内核和用户空间之间的复制。

2.基本原理

<1>创建共享内存段：使用shmget函数在内核中创建或打开一个共享内存段。该函数需要指定共享内存段的键（key）、大小（size）和权限（shmflg）等参数。

<2>映射共享内存段：使用shmat函数将共享内存段映射到当前进程的地址空间中。这样，进程就可以像访问普通内存一样访问共享内存段。

<3>读写共享内存段：进程可以直接对共享内存段进行读写操作。由于多个进程共享同一块内存区域，因此一个进程对共享内存段的修改会立即影响到其他进程。

<4>解除映射和删除共享内存段：当进程不再需要访问共享内存段时，可以使用shmdt函数解除映射。当所有进程都解除映射后，可以使用shmctl函数删除共享内存段。

注：共享内存资源的生命周期是随内核的，若是进程结束后没有删除共享内存，他将一直存在

3.使用共享内存的接口

<1>int shmget(key_t key,size_t size,int shmflag);

1）功能：创建共享内存

2）参数解释：

key：唯一标识符（通常用 ftok 生成）,标识共享内存的唯一性。
size：共享内存段的大小（建议为 4KB 的整数倍）。
shmflg：标志位

shmflg的可能填写方法：

1.IPC_CREAT：创建共享内存，如果共享内存不存在就创建，存在就直接打开这个已经存在的共享内存并返回

2.IPC_EXCL ：单独使用无意义，必须组合使用,可以兼容权限设置，以便后续对于共享内存数据的读操作：IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 ：不存在就创建，否则就出错返回

3）头文件：#include<sys/shm.h>

4）返回值：成功返回共享内存标识符（shmid），失败返回 -1。

<2>int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);

1）功能：控制共享内存段（如删除、获取属性）。

2）参数解释

cmd：操作命令（如 IPC_RMID 删除共享内存）。
buf：存储或设置属性的结构体指针。
shmid：共享内存标识符

3）头文件：#include<sys/shm.h>

4）返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

<3>void* shmat(int shmid,const void* shmaddr,int shmflag);

1）功能：将共享内存段映射到进程的地址空间。

2）参数解释

shmid：共享内存标识符。
shmaddr：映射地址（通常设为 NULL，由系统自动选择）。
shmflg：标志位（如 SHM_RDONLY 只读模式）。

3）头文件：#include<sys/shm.h>

4）返回值：成功返回映射后的地址（起始虚拟地址），失败返回 (void *)-1。

<4>int shmdt(const void* shmaddr);

1）功能：将共享内存段与进程地址空间分离。

2）参数解释：shmaddr 为 shmat 返回的地址。

3）头文件：#include<sys/shm.h>

4）返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

<5>key_t ftok(const char* pathname,int proj_id);

1）功能：生成唯一标识符 key。

2）参数解释

pathname：存在的文件路径。
proj_id：项目标识符（非零字符）。

3）头文件：#include<sys/ipc.h>

4）返回值：成功返回 key，失败返回 -1。

4.查看/删除共享内存的命令

<1>ipcs -m：查看创建的共享内存

<2>ipcrm -m shmid：删除创建的标识符为shmid的共享内存

5.共享内存的代码实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<cstdio>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<unistd.h>
#include<string>const int gdefaultid=-1;
const int gsize=4096;
const std: :string pathname= ".";
const int projid=0x66;
const int gmode=0666;#define CREATER "creater"
#define USER "user"#define ERR_EXIT(m)\
do{\perror(m) ;exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)class Shm{
private:
//创建共享内存
void CreateHelper(int shmflag)
{ptintf ("key:%d",_key) ;shmid=shmget(_key,_size,shmflag);if ( _shmid<6)ERR_EXIT( "shmget");printf("shmid: %d\n",_shmid);
}void Create()
{CreateHelper(IPC_CREAT| IPC_EXCL | gmode);
}void Get()
{CreateHelper(IPC_CREAT);
}//将共享内存挂接到进程的地址空间上49
void Attach()
{start_mem=shmat( _shmid , nullptr,0) ;if ( (long long) start_mem<0)ERREXIT("shmat");printf( "Attach Sucess!Nn");}//删除与共享内存的关联关系
void DeAttach()
{int n=shmdt(_start_mem);if(n<0)ERR_EXIT("shmdt") ;else if(n==0)printf( "Deattach success! \n");
}/删除共享内存
void Destory( )
{//删除与共享内存的关联DeAttach( );//删除共享内存int n=shmctl( _shmid,IPC_RMID , nullptr);if(n<0)ERR_ EXIT( "shmctl");printf ( "shmctl delete %dsucess!in",_shmid);
}public:
Shm(std::string& pathname , int projid,std::string& usertype):
shmid(gdefaultid),
_size(gsize),
_start_mem(nullptr),
_usertype(usertype)
{
key=ftok(pathname.c_str( ),projid);
if(_key<0)    ERR_EXIT("ftok");
if(_usertype==CREATER)
{Create( );
}
else if (_usertype==USER)
{Get( );
}Attach( );
}//获取虚拟地址
void* VirturalAddr( )
{printf("virtual address: %p\n",_start_mem);106return_start_mem;
}//获取共享内存大小
int Size()return_size;void Attr( )
{struct shmid_ds ds ; //描述共享内存的结构体int n=shmctl(_shmid,ICP_RMID , &ds ) ;printf( "key : %d\n",_key);
}
~Shm( )
{
if(_usertype==CREATER)Destory ( );
}
private:
key_t_key;
int_shmid;
int _size;
void*_start_mem; //虚拟地址
std: :string  _usertype;
};

6.共享内存的优缺点

优点	缺点
映射后读写直接被对方看到，不需要进行系统调用获取或写入内容，是进程间通信速度最快的	通信双方没有所谓的“同步机制”，对共享内存数据没有保护机制

7.匿名管道 VS 命名管道 VS 共享内存 VS消息队列

特性	共享内存	命名管道（FIFO）	匿名管道	消息队列
数据传输速度	最快（直接内存访问）	较慢（需要内核缓冲）	较慢（需要内核缓冲）	适中（需要内核缓冲）
通信范围	任意进程间	任意进程间（有名字）	具有亲缘关系的进程间	任意进程间
同步机制	需要额外机制（如信号量）	内置同步机制（如阻塞/非阻塞）	内置同步机制（如阻塞/非阻塞）	内置同步机制（如消息类型）
生命周期	随内核，需手动删除	随内核，需手动删除	随进程结束而关闭	随内核，需手动删除
适用场景	频繁通信、大数据量传输	进程间通信、跨网络通信	简单进程间通信	异步通信、消息传递

一.理解

1.进程间通信的目的

2.进程间通信的本质

3.具体通信方式

4.管道的容量

5.管道的写入原子性

6.有关管道的基本接口

二.匿名管道

1.是什么？

2.使用条件

3.5种特性和4种通信情况

4.匿名管道的相关接口

5.基于匿名管道实现父子进程间通信

三.命名管道

1.是什么？

2.使用条件

3.命名管道的相关接口

4.匿名管道 VS 命名管道

四.共享内存

1.是什么？

2.基本原理

3.使用共享内存的接口

5.共享内存的代码实现

6.共享内存的优缺点

7.匿名管道 VS 命名管道 VS 共享内存 VS消息队列

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