进程间通信方式（共享内存、信号灯集、消息队列）

news2025/1/11 20:05:44

共享内存

特点

1）共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。

2）为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区，可以由需要访问的进程

将其映射到自己的私有地址空间。进程就可以直接读写这一内存区而不需要进行数据的拷贝，从而大大提高的效率。

3) 由于多个进程共享一段内存，因此也需要依靠某种同步机制，如互斥锁和信号量等

使用步骤

(1) 创建key值: ftok

(2) 创建或打开共享内存: shmget

(3) 映射共享内存到用户空间: shmat

(4) 撤销映射: shmdt

(5) 删除共享内存: shmctl

进程间通信:

命令

ipcs -m: 查看系统中的共享内存

ipcrm -m shmid：删除共享内存

ps: 可能不能直接删除掉还存在进程使用的共享内存，这时候可以用ps -ef对进程进行查看，kill掉多余的进程后，再使用ipcs查看。 

练习：两个进程实现通信，一个进程循环从终端输入，另一个进程循环打印，当输入quit时结束

这两个标志在两个进程里，是不共享的，所以为了共享标志位可以和buf封装到一个结构体里作为共享内存。

struct msg

{

int flag;

char buf[32];

};

头文件

typedef struct shared
{
    int flag;
    char buf[32];
} shared_t, *shared_p;

输入端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include "shared.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key;
    key = ftok("bus.c", 'a');
    if (key < 0)
    {
        perror("key err");
        return -1;
    }
    printf("key:%#x\n", key);

    int shmid = shmget(key, sizeof(shared_t), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777);
    if (shmid <= 0)
    {
        if (errno == EEXIST)
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(shared_t), 0777);
        }
        else
        {
            perror("shmget err");
            return -1;
        }
    }
    printf("shmid:%d\n", shmid);

    shared_p p = (shared_p)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (p == (shared_p)-1)
    {
        perror("shmat err");
        return -1;
    }
    p->flag = 0;
    while (1)
    {
        if (p->flag == 0)
        {
            scanf("%s", p->buf);
            if (strcmp(p->buf, "quit") == 0)
                break;
            p->flag++;
        }
    }

    shmdt(p);

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

输出端

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include "shared.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key;
    key = ftok("bus.c", 'a');
    if (key < 0)
    {
        perror("key err");
        return -1;
    }
    printf("key:%#x\n", key);

    int shmid = shmget(key, sizeof(shared_t), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777);
    if (shmid <= 0)
    {
        if (errno == EEXIST)
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(shared_t), 0777);
        }
        else
        {
            perror("shmget err");
            return -1;
        }
    }
    printf("shmid:%d\n", shmid);

    shared_p p = (shared_p)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (p == (shared_p)-1)
    {
        perror("shmat err");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        sleep(1);
        if (strcmp(p->buf, "quit") == 0)
            exit(0);
        if (p->flag == 1)
        {
            printf("%s\n", p->buf);
            p->flag--;
        }
    }

    shmdt(p);

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

信号灯集

特点

信号灯(semaphore)，也叫信号量，信号灯集是一个信号灯的集合。它是不同进程间或一个给定进程内部不同线程间同步的机制；

而Posix信号灯指的是单个计数信号灯：无名信号灯、有名信号灯。（咱们学的是无名信号灯）

System V的信号灯是一个或者多个信号灯的一个集合。其中的每一个都是单独的计数信号灯。

通过信号灯集实现共享内存的同步操作

使用步骤

(1) 创建键值：ftok

(2) 创建或打开信号灯集：semget

(3) 初始化信号灯：semctl

(4) pv操作：semop

(5) 删除信号灯集：semctl

命令

ipcs -s:查看信号灯集

ipcrm -s semid:删除信号灯集

注意：有时候可能会创建失败，或者semid为0，所以用命令看看，删了重新创建就可以了。

练习：两个进程实现通信，一个进程循环从终端输入，另一个进程循环打印，把信号灯集加到共享内存实现同步，输入输出quit结束

头文件

union semun
{
    int val;
};
key_t keyfun(char buf[32], char ch);
int shmcreate(key_t key);
int semcreate(key_t key, int num);
void seminit(int semid, int val, int num);
void sempv(int semid, int num, int op);

功能函数

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

key_t keyfun(char buf[32], char ch)
{
    key_t key;
    key = ftok(buf, ch);
    if (key < 0)
    {
        perror("ftok err");
        return -1;
    }
    printf("key:%#x\n", key);
    return key;
}

int shmcreate(key_t key)
{
    int shmid = shmget(key, sizeof(str), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777);
    if (shmid <= 0)
    {
        if (errno == EEXIST)
            shmid = shmget(key, sizeof(str), 0777);
        else
        {
            perror("shmget err");
            return -1;
        }
    }
    printf("shmid: %d\n", shmid);
    return shmid;
}

int semcreate(key_t key, int num)
{
    int semid = semget(key, num, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777);
    if (semid <= 0)
    {
        if (errno == EEXIST)
        {
            semid = semget(key, num, 0777);
        }
        else
        {
            perror("semget err");
            return -1;
        }
    }
    else
    {
        seminit(semid, 0, 0);
        seminit(semid, 1, 1);
    }
    printf("semid:%d\n", semid);
    return semid;
}

void seminit(int semid, int num, int val)
{
    union semun mysem;
    mysem.val = val;
    semctl(semid, num, SETVAL, mysem);
}

void sempv(int semid, int num, int op)
{
    struct sembuf buf; // sembuf结构体人家写好的直接拿来用就可以
    // PV操作
    buf.sem_num = num;
    buf.sem_op = op;
    buf.sem_flg = 0;       // 阻塞
    semop(semid, &buf, 1); // 对num号灯进行op操作申请资源
}

输入端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include "sem.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key = keyfun("sem.h", 'a');
    int semid = semcreate(key, 2);
    int shmid = shmcreate(key);

    // 映射共享内存
    char *p = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (p == (char *)-1)
    {
        perror("shmat err");
        return -1;
    }
    while (1)
    {
        sempv(semid, 1, -1);
        scanf("%s", p);
        sempv(semid, 0, 1);
        if (strcmp(p, "quit") == 0)
            break;
    }
    printf("0:%d\n", semctl(semid, 0, GETVAL));
    printf("1:%d\n", semctl(semid, 1, GETVAL));
    shmdt(p);
    // semctl(semid, 0, IPC_RMID);
    return 0;
}

输出端

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include "sem.h"
int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key = keyfun("sem.h", 'a');
    int semid = semcreate(key, 2);
    int shmid = shmcreate(key);

    // 映射共享内存
    char *p = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (p == (char *)-1)
    {
        perror("shmat err");
        return -1;
    }
    while (1)
    {
        sempv(semid, 0, -1);
        if (strcmp(p, "quit") == 0)
            break;
        printf("%s\n", p);
        sempv(semid, 1, 1);
    }
    printf("0:%d\n", semctl(semid, 0, GETVAL));
    printf("1:%d\n", semctl(semid, 1, GETVAL));
    shmdt(p);
    // semctl(semid, 0, IPC_RMID);
    return 0;
}

消息队列

特点

消息队列是IPC对象(活动在内核级别的一种进程间通信的工具)的一种

一个消息队列由一个标识符 (即队列ID)来标识

消息队列就是一个消息的列表。用户可以在消息队列中添加消息、读取消息等

消息队列可以按照类型(自己设一个值作为类型)来发送/接收消息

使用步骤

(1) 创建key值:ftok

(2) 创建或打开消息队列:msgget

(3) 添加消息：按照消息的类型把消息添加到已经打开的消息队列末尾msgsnd

(4) 读取消息：可以按照消息类型把消息从消息队列中取走msgrcv

(5) 删除消息队列:msgctl

命令

ipcs -q:查看消息队列

ipcrm -q msgid:删除消息队列

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