程序間的五種通訊方式介紹

程序間通訊（IPC，InterProcess Communication）是指在不同程序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序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：

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。
它只能用於具有親緣關係的程序之間的通訊（也是父子程序或者兄弟程序之間）。
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：

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。
它只能用於具有親緣關係的程序之間的通訊（也是父子程序或者兄弟程序之間）。
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

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

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

 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)  // 建立子程序
14         printf("Fork Error!\n");
15     else if(pid > 0)  // 父程序
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

FIFO可以在無關的程序之間交換資料，與無名管道不同。
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序為寫而開啟此 FIFO。類似的，只寫 open 要阻塞到某個其他程序為讀而開啟它。
若指定了O_NONBLOCK，則只讀 open 立即返回。而只寫 open 將出錯返回 -1 如果沒有程序已經為讀而開啟該 FIFO，其errno置ENXIO。

3、例子

FIFO的通訊方式類似於在程序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()); // 說明程序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 [[email protected]]$ ./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 [[email protected]]$ ./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序—伺服器程序通訊的例項，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

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。
訊息佇列獨立於傳送與接收程序。程序終止時，訊息佇列及其內容並不會被刪除。
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打印出來。

msg_server.c

程序間的五種通訊方式介紹

一、管道

1、特點：

一、管道

1、特點：

2、原型：

3、例子

二、FIFO

1、特點

2、原型

3、例子

三、訊息佇列

1、特點

2、原型

3、例子

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一、管道

1、特點：

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二、FIFO

1、特點

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三、訊息佇列

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