在Linux系统中，进程间通信（IPC, Inter-Process Communication）是指多个进程之间的数据交换和同步手段。常见的IPC机制包括共享内存、消息队列和信号量。本文将详细讲解这三种IPC机制，并提供小项目示例和相关指令。
一、共享内存
共享内存是最快的IPC机制，因为它允许多个进程直接访问同一块内存区域。共享内存的使用涉及几个系统调用：shmget、shmat、shmdt和 shmctl。
1.1 创建和附加共享内存
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#define SHM_SIZE 1024 // 共享内存大小int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65); // 生成唯一键值int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT); // 创建共享内存char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0); // 连接共享内存printf("Write Data: ");fgets(str, SHM_SIZE, stdin);printf("Data written in memory: %s\n", str);shmdt(str); // 分离共享内存return 0;
}
1.2 读取共享内存
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define SHM_SIZE 1024 // 共享内存大小int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65); // 生成唯一键值int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT); // 获取共享内存IDchar *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0); // 连接共享内存printf("Data read from memory: %s\n", str);shmdt(str); // 分离共享内存shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 销毁共享内存return 0;
}
1.3 相关指令
ipcs：显示当前系统的IPC设施状态。ipcrm：删除指定的IPC对象。
二、消息队列
消息队列允许进程以消息的形式进行通信，每个消息都有一个类型标识符。消息队列的相关系统调用包括 msgget、msgsnd、msgrcv和 msgctl。
2.1 发送消息
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>struct mesg_buffer {long mesg_type;char mesg_text[100];
} message;int main() {key_t key = ftok("msgfile", 65); // 生成唯一键值int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 创建消息队列message.mesg_type = 1;printf("Write Data: ");fgets(message.mesg_text, 100, stdin);msgsnd(msgid, &message, sizeof(message), 0); // 发送消息printf("Data send is : %s\n", message.mesg_text);return 0;
}
2.2 接收消息
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>struct mesg_buffer {long mesg_type;char mesg_text[100];
} message;int main() {key_t key = ftok("msgfile", 65); // 生成唯一键值int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 获取消息队列IDmsgrcv(msgid, &message, sizeof(message), 1, 0); // 接收消息printf("Data Received is : %s\n", message.mesg_text);msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL); // 销毁消息队列return 0;
}
2.3 相关指令
ipcs -q：显示当前系统的消息队列。ipcrm -q <msgid>：删除指定的消息队列。
三、信号量
信号量是用于进程同步的IPC机制。信号量的相关系统调用包括 semget、semop和 semctl。
3.1 创建和初始化信号量
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;
};int main() {key_t key = ftok("semfile", 65); // 生成唯一键值int semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT); // 创建信号量集union semun sem_union;sem_union.val = 1;semctl(semid, 0, SETVAL, sem_union); // 初始化信号量return 0;
}
3.2 P操作和V操作
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>void sem_op(int semid, int op) {struct sembuf sb;sb.sem_num = 0;sb.sem_op = op;sb.sem_flg = 0;semop(semid, &sb, 1);
}int main() {key_t key = ftok("semfile", 65); // 生成唯一键值int semid = semget(key, 1, 0666); // 获取信号量IDprintf("Waiting for semaphore...\n");sem_op(semid, -1); // P操作printf("Enter critical section...\n");// 进入临界区sleep(5); // 模拟临界区操作printf("Leaving critical section...\n");sem_op(semid, 1); // V操作return 0;
}
3.3 相关指令
ipcs -s：显示当前系统的信号量集。ipcrm -s <semid>：删除指定的信号量集。
四、小项目：生产者-消费者问题
4.1 生产者代码
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SHM_SIZE 1024void sem_op(int semid, int op) {struct sembuf sb;sb.sem_num = 0;sb.sem_op = op;sb.sem_flg = 0;semop(semid, &sb, 1);
}int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65);int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666 | IPC_CREAT);char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);key_t sem_key = ftok("semfile", 65);int semid = semget(sem_key, 1, 0666 | IPC_CREAT);union semun sem_union;sem_union.val = 1;semctl(semid, 0, SETVAL, sem_union);while (1) {sem_op(semid, -1);printf("Write Data: ");fgets(str, SHM_SIZE, stdin);sem_op(semid, 1);sleep(1);}shmdt(str);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);semctl(semid, 0, IPC_RMID);return 0;
}
4.2 消费者代码
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SHM_SIZE 1024void sem_op(int semid, int op) {struct sembuf sb;sb.sem_num = 0;sb.sem_op = op;sb.sem_flg = 0;semop(semid, &sb, 1);
}int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65);int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666 | IPC_CREAT);char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);key_t sem_key = ftok("semfile", 65);int semid = semget(sem_key, 1, 0666 | IPC_CREAT);while (1) {sem_op(semid, -1);printf("Data read from memory: %s\n", str);sem_op(semid, 1);sleep(1);}shmdt(str);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);semctl(semid, 0, IPC_RMID);return 0;
}
