Linux 进程与线程间通信方式及应用分析

1. 管道（Pipe）

管道是 Linux 中最基础的进程间通信方式，通常用于父子进程之间的数据传输。它可以分为匿名管道和命名管道两种。

1.1 匿名管道（Anonymous Pipe）

匿名管道是最常见的进程间通信方式，通常由父子进程使用。它是通过内核缓冲区进行数据传输的，通信是单向的。

示例代码：

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

int main() {
    int pipe_fd[2];
    pid_t pid;
    char write_msg[] = "Hello from parent";
    char read_msg[100];

    // 创建管道
    if (pipe(pipe_fd) == -1) {
        perror("Pipe failed");
        return 1;
    }

    pid = fork();  // 创建子进程

    if (pid < 0) {
        perror("Fork failed");
        return 1;
    }

    if (pid > 0) {  // 父进程
        close(pipe_fd[0]);  // 关闭读端
        write(pipe_fd[1], write_msg, strlen(write_msg) + 1);
        close(pipe_fd[1]);  // 关闭写端
    } else {  // 子进程
        close(pipe_fd[1]);  // 关闭写端
        read(pipe_fd[0], read_msg, sizeof(read_msg));
        printf("Child process received: %s\n", read_msg);
        close(pipe_fd[0]);  // 关闭读端
    }

    return 0;
}

结果：

父进程通过管道写入数据，子进程通过管道读取数据。输出为：

Child process received: Hello from parent

1.2 命名管道（FIFO）

命名管道与匿名管道类似，但它允许不同的进程进行通信，即使它们没有亲缘关系。可以通过文件路径进行标识。

示例代码：

# 在终端中创建命名管道
mkfifo /tmp/myfifo

# 终端1
echo "Message from terminal1" > /tmp/myfifo

# 终端2
cat /tmp/myfifo

结果：

终端2会输出从终端1发送的消息。

优缺点：

优点	缺点	应用场景
简单易用，适合父子进程通信。	只能在父子进程间通信，单向通信。	父子进程间简单的数据传递。

2. 消息队列（Message Queue）

消息队列是 Linux 提供的一种进程间通信机制，它允许进程之间通过消息进行通信。消息队列的特点是能够存储消息，且消息传递是异步的。

示例代码：

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

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

int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    struct msg_buffer message;

    // 创建消息队列
    key = ftok("progfile", 65);
    msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);

    message.msg_type = 1;
    strcpy(message.msg_text, "Hello from message queue");

    // 发送消息
    msgsnd(msgid, &message, sizeof(message), 0);
    printf("Message sent: %s\n", message.msg_text);

    // 接收消息
    msgrcv(msgid, &message, sizeof(message), 1, 0);
    printf("Message received: %s\n", message.msg_text);

    // 删除消息队列
    msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

结果：

进程通过消息队列发送和接收消息，成功传递数据。

优缺点：

优点	缺点	应用场景
支持异步通信，消息可以排队。	有可能阻塞，消息队列最大长度有限。	高并发的进程间异步通信。

3. 共享内存（Shared Memory）

共享内存是最有效的进程间通信方式，允许多个进程共享一块内存区域。它的速度非常快，但需要考虑同步问题。

示例代码：

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

int main() {
    key_t key = 1234;
    int shmid;
    char *shm_ptr;

    // 创建共享内存
    shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    shm_ptr = (char*) shmat(shmid, NULL, 0);

    // 写数据到共享内存
    strcpy(shm_ptr, "Hello from shared memory");

    // 读取共享内存数据
    printf("Data read from shared memory: %s\n", shm_ptr);

    // 分离共享内存
    shmdt(shm_ptr);

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

    return 0;
}

结果：

共享内存区的数据能够在多个进程间共享，提供高效的通信。

优缺点：

优点	缺点	应用场景
速度快，效率高。	需要额外的同步机制，如互斥锁。	大量数据交换的高效通信。

4. 信号（Signal）

信号是一种简单的进程间通信方式，适用于处理事件或通知其他进程发生了某些事情。

示例代码：

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

void signal_handler(int signum) {
    printf("Signal %d received!\n", signum);
}

int main() {
    signal(SIGINT, signal_handler);  // 捕获 SIGINT 信号
    printf("Press Ctrl+C to send SIGINT signal...\n");
    while (1) {
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

结果：

按下 Ctrl+C 发送 SIGINT 信号后，程序将捕获并响应该信号。

优缺点：

优点	缺点	应用场景
简单易用，适合事件驱动的场景。	仅能传递简单的事件信息。	处理异步事件和信号通知。

5. 套接字（Socket）

套接字是跨进程（包括不同机器）的通信机制，可以在不同的进程间传递复杂的数据。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

#define PORT 8080

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    char *message = "Hello from server";

    // 创建 socket
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == 0) {
        perror("Socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(PORT);

    // 绑定 socket
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address)) < 0) {
        perror("Bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("Listen failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接受连接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&address)) < 0) {
        perror("Accept failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    send(new_socket, message, strlen(message), 0);
    printf("Message sent\n");

    return 0;
}

结果：

使用套接字实现了服务器和客户端间的通信。

优缺点：

优点	缺点	应用场景
支持跨主机通信，数据传输灵活。	编程较为复杂，需要理解网络协议。	远程进程间通信或分布式系统。

总结

通信方式	优点	缺点	应用场景
管道	简单易用，适合父子进程通信。	只能单向通信，无法跨进程。	父子进程间数据传输。
消息队列	支持异步通信，消息排队。	阻塞问题，消息队列容量有限。	高并发的异步通信。
共享内存	高效，速度快。	需要同步机制。	高效数据交换。
信号	简单易用，适合事件通知。	只能传递简单信息。	异步事件通知。
套接字	支持跨主机通信，灵活多变。	编程复杂，需理解网络协议。	分布式系统，远程进程通信。

这些通信方式在实际开发中都有着广泛的应用，选择合适的通信方式可以有效提高系统的性能和可维护性。