进程间的三种通信方式，管道、消息队列、共享内存，哪一种的效率最高呢？

进程间的五种通信方式介绍

进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC的方式通常有管道（包括无名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享内存、Socket（套接字）等。其中 Socket和支持不同主机上的两个进程IPC。

一、管道

管道，通常指无名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

1、特点：

它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。
它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。
它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

2、原型：

#include 
int pipe(int fd[2]);  // 返回值：若成功返回0，失败返回-1；

当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。如下图：

要关闭管道只需将这两个文件描述符关闭即可。

3、For Example

单个进程中的管道几乎没有任何用处。所以，通常调用 pipe 的进程接着调用 fork，这样就创建了父进程与子进程之间的 IPC 通道。如下图所示：

若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反之，则可以使数据流从子进程流向父进程。

#include 
#include 
int main()
{
    int fd[2]; // 两个文件描述符
    pid_t pid;
    char buff[20];
    if (pipe(fd)  0) // 父进程
    {
        close(fd[0]); // 关闭读端
        write(fd[1], "Hello Worldn", 12);
    }
    else
    {
        close(fd[1]); // 关闭写端
        read(fd[0], buff, 20);
        printf ("%s", buff);
    }
    return 0;
}

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二、FIFO

FIFO，也称为命名管道，是一种文件类型。

1、特点

FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

2、原型

#include 
// 返回值：成功返回0， 出错返回-1
int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);

其中的 mode 参数与open函数中的 mode 相同。一旦创建了一个 FIFO，就可以用一般的文件I/O函数操作它。当 open 一个FIFO时，是否设置非阻塞标志（O_NONBLOCK）的区别：

若没有指定O_NONBLOCK（默认），只读 open 要阻塞到某个其他进程为写而打开此 FIFO。类似的，只写 open 要阻塞到某个其他进程为读而打开它。
若指定了O_NONBLOCK，则只读 open 立即返回。而只写 open 将出错返回 -1 如果没有进程已经为读而打开该 FIFO，其errno置ENXIO。

3、For Example

FIFO的通信方式类似于在进程中使用文件来传输数据，只不过FIFO类型文件同时具有管道的特性。在数据读出时，FIFO管道中同时清除数据，并且“先进先出”。下面的例子演示了使用 FIFO 进行 IPC 的过程：

write_fifo.c

#include
#include // exit
#include // O_WRONLY
#include
#include // time

int main()
{
    int fd;
    int n, i;
    char buf[1024];
    time_t tp;

    printf("I am %d process.n", getpid()); // 说明进程ID

    if((fd = open("fifo1", O_WRONLY))

read_fifo.c

#include 

int main()
{
    int fd;
    int len;
    char buf[1024];
    
    if (mkfifo("fifo 1", 0666)  0) // 读取FIFO管道
    {
        printf ("Read Message: %s", buf);
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

在两个终端里用 gcc 分别编译运行上面两个文件，可以看到输出结果如下：

[xq@localhost]$ ./write_fifo
I am 7872 process
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:23 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:24 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:25 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:26 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:27 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:28 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:29 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:30 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:31 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:32 2023

[xq@localhost]$ ./write_fifo
I am 7872 process
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:23 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:24 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:25 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:26 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:27 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:28 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:29 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:30 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:31 2023
Send message: Process 7872's time is Mon Jan 16 18:00:32 2023

上面的例子可以扩展成客户端进程—服务端进程通信的实例，write_fifo的作用类似于客户端，可以打开多个客户端向一个服务器发送请求信息，read_fifo类似于服务器，它适时监控着FIFO的读端，当有数据时，读出并进行处理，但是有一个关键的问题是，每一个客户端必须预先知道服务器提供的FIFO接口，下图显示了这样的操作：

三、消息队列

消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。

1、特点

消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。
消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。
消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

2、原型

#include 
// 创建或打开消息队列：成功返回队列ID，失败返回-1
int msgget(key_t key, int flag);
// 添加消息：成功返回0，失败返回-1
int msgsnd(int msqid, const void ptr, size_t size, int flag);
// 读取消息：成功返回消息数据的长度，失败返回-1
int msgrcv(int msqid, void* ptr, size_t size, long type, int flag);
// 控制消息队列：成功返回0， 失败返回-1
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds * buf);

在以下两种情况下，msgget将创建一个新的消息队列：

如果没有与键值key相对应的消息队列，并且flag中包含了IPC_CREAT标志位。
key参数为IPC_PRIVATE。

函数msgrcv在读取消息队列时，type参数有下面几种情况：

type == 0，返回队列中的第一个消息；
type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息；
type

可以看出，type值非 0 时用于以非先进先出次序读消息。也可以把 type 看做优先级的权值。（其他的参数解释，请自行Google之）

3、For Example

下面写了一个简单的使用消息队列进行IPC的例子，服务端程序一直在等待特定类型的消息，当收到该类型的消息以后，发送另一种特定类型的消息作为反馈，客户端读取该反馈并打印出来。

msg_server.c

#include
#include
#include
#include

// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "/etc/passwd"

// 消息结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext[256];
};

int main()
{
    int msqid;
    key_t key;
    struct msg_form msg;
  
   // 获取key值
   if((key = ftok(MSG_FILE,'z'))

msg_client.c

#include
#include
#include
#include
// 用于创建一个唯一的key
#define MSG_FILE "/etc/passwd"

// 消息结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext[256];
};

int main()
{
    int msqid;
    key_t key;
    struct msg_form msg;

    // 获取key值
    if ((key = ftok(MSG_FILE, 'z'))

四、信号量

信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

1、特点

信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。
信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。
每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。
支持信号量组。

2、原型

最简单的信号量是只能取 0 和 1 的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二值信号量（Binary Semaphore）。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。Linux 下的信号量函数都是在通用的信号量数组上进行操作，而不是在一个单一的二值信号量上进行操作。

#include 
// 创建或获取一个信号量组：若成功返回信号量集ID，失败返回-1
int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);
// 对信号量组进行操作，改变信号量的值：成功返回0，失败返回-1
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t numops);  
// 控制信号量的相关信息
int semctl(int semid, int sem_num, int cmd, ...);

当semget创建新的信号量集合时，必须指定集合中信号量的个数（即num_sems），通常为1；如果是引用一个现有的集合，则将num_sems指定为 0 。在semop函数中，sembuf结构的定义如下：

struct sembuf 
{
    short sem_num; // 信号量组中对应的序号，0～sem_nums-1
    short sem_op;  // 信号量值在一次操作中的改变量
    short sem_flg; // IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
}

其中 sem_op 是一次操作中的信号量的改变量：

若sem_op > 0，表示进程释放相应的资源数，将 sem_op 的值加到信号量的值上。如果有进程正在休眠等待此信号量，则换行它们。
若sem_op
- sem_flg 指定IPC_NOWAIT，则semop函数出错返回EAGAIN。
- sem_flg 没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
- 当相应的资源数可以满足请求，此信号量的semncnt值减1，该信号量的值减去sem_op的绝对值。成功返回；
- 此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
- 进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，此情况下将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
- 如果相应的资源数可以满足请求，则将该信号量的值减去sem_op的绝对值，函数成功返回。
- 当相应的资源数不能满足请求时，这个操作与sem_flg有关。
若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：

sem_flg指定IPC_NOWAIT，则出错返回EAGAIN。
sem_flg没有指定IPC_NOWAIT，则将该信号量的semncnt值加1，然后进程挂起直到下述情况发生：
信号量值为0，将信号量的semzcnt的值减1，函数semop成功返回；
此信号量被删除，函数smeop出错返回EIDRM；
进程捕捉到信号，并从信号处理函数返回，在此情况将此信号量的semncnt值减1，函数semop出错返回EINTR
当信号量已经为0，函数立即返回。
如果信号量的值不为0，则依据sem_flg决定函数动作：

在semctl函数中的命令有多种，这里就说两个常用的：

SETVAL：用于初始化信号量为一个已知的值。所需要的值作为联合semun的val成员来传递。在信号量第一次使用之前需要设置信号量。
IPC_RMID：删除一个信号量集合。如果不删除信号量，它将继续在系统中存在，即使程序已经退出，它可能在你下次运行此程序时引发问题，而且信号量是一种有限的资源。

3、For Example

#include
#include
#include
#include

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /for SETVAL/
    struct semid_ds buf;
    unsigned short  *array;
};

// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
    union semun tmp;
    tmp.val = value;
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
    {
        perror("Init Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// P操作:
//    若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//    若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /序号/
    sbuf.sem_op = -1; /P操作/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
//    释放资源并将信号量值+1
//    如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /序号/
    sbuf.sem_op = 1;  /V操作/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
    union semun tmp;
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
    {
        perror("Delete Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int main()
{
    int sem_id;  // 信号量集ID
    key_t key;  
    pid_t pid;

    // 获取key值
    if((key = ftok(".", 'z'))

上面的例子如果不加信号量，则父进程会先执行完毕。这里加了信号量让父进程等待子进程执行完以后再执行。

五、共享内存

共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。

1、特点

共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。
因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。

2、原型

#include 
// 创建或获取一个共享内存：成功返回共享内存ID，失败返回-1
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
// 连接共享内存到当前进程的地址空间：成功返回指向共享内存的指针，失败返回-1
void shmat(int shm_id, const void *addr, int flag);
// 断开与共享内存的连接：成功返回0，失败返回-1
int shmdt(void addr); 
// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);

当用shmget函数创建一段共享内存时，必须指定其size；而如果引用一个已存在的共享内存，则将size指定为0 。当一段共享内存被创建以后，它并不能被任何进程访问。必须使用shmat函数连接该共享内存到当前进程的地址空间，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问。shmdt函数是用来断开shmat建立的连接的。注意，这并不是从系统中删除该共享内存，只是当前进程不能再访问该共享内存而已。shmctl函数可以对共享内存执行多种操作，根据参数 cmd 执行相应的操作。常用的是IPC_RMID（从系统中删除该共享内存）。

3、For Example

下面这个例子，使用了【共享内存+信号量+消息队列】的组合来实现服务器进程与客户进程间的通信。

共享内存用来传递数据；
信号量用来同步；
消息队列用来在客户端修改了共享内存后通知服务器读取。

server.c

#include 
#include  // shared memory
#include  // semaphore
#include  // message queue

// 消息队列结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext;
};

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /for SETVAL/
    struct semid_ds buf;
    unsigned short  *array;
};

// 初始化信号量
int init_sem(int sem_id, int value)
{
    union semun tmp;
    tmp.val = value;
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, tmp) == -1)
    {
        perror("Init Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// P操作:
//  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//  若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /序号/
    sbuf.sem_op = -1; /P操作/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
//  释放资源并将信号量值+1
//  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /序号/
    sbuf.sem_op = 1;  /V操作/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 删除信号量集
int del_sem(int sem_id)
{
    union semun tmp;
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, tmp) == -1)
    {
        perror("Delete Semaphore Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// 创建一个信号量集
int creat_sem(key_t key)
{
    int sem_id;
    if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1)
    {
        perror("semget error");
        exit(-1);
    }
    init_sem(sem_id, 1);  /初值设为1资源未占用/
    return sem_id;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid, semid, msqid;
    char shm;
    char data[] = "this is server";
    struct shmid_ds buf1;  /用于删除共享内存/
    struct msqid_ds buf2;  /用于删除消息队列/
    struct msg_form msg;  /消息队列用于通知对方更新了共享内存/

    // 获取key值
    if((key = ftok(".", 'z'))

client.c

#include 
#include  // shared memory
#include  // semaphore
#include  // message queue

// 消息队列结构
struct msg_form {
    long mtype;
    char mtext;
};

// 联合体，用于semctl初始化
union semun
{
    int              val; /for SETVAL/
    struct semid_ds buf;
    unsigned short  *array;
};

// P操作:
//  若信号量值为1，获取资源并将信号量值-1 
//  若信号量值为0，进程挂起等待
int sem_p(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /序号/
    sbuf.sem_op = -1; /P操作/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("P operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

// V操作：
//  释放资源并将信号量值+1
//  如果有进程正在挂起等待，则唤醒它们
int sem_v(int sem_id)
{
    struct sembuf sbuf;
    sbuf.sem_num = 0; /序号/
    sbuf.sem_op = 1;  /V操作/
    sbuf.sem_flg = SEM_UNDO;

    if(semop(sem_id, &sbuf, 1) == -1)
    {
        perror("V operation Error");
        return -1;
    }
    return 0;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid, semid, msqid;
    char shm;
    struct msg_form msg;
    int flag = 1; /while循环条件/

    // 获取key值
    if((key = ftok(".", 'z'))

注意：当scanf()输入字符或字符串时，缓冲区中遗留下了n，所以每次输入操作后都需要清空标准输入的缓冲区。但是由于 gcc 编译器不支持fflush(stdin)（它只是标准C的扩展），所以我们使用了替代方案：

while((c=getchar())!='n' && c!=EOF);

五种通讯方式总结

1.管道：速度慢，容量有限，只有父子进程能通讯

2.FIFO：任何进程间都能通讯，但速度慢

3.消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题

4.信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步

5.共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存。

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进程/线程/协程 · 2023年5月5日 0

进程间的三种通信方式，管道、消息队列、共享内存，哪一种的效率最高呢？

进程间的五种通信方式介绍

一、管道

1、特点：

2、原型：

3、For Example

二、FIFO

1、特点

2、原型

3、For Example

三、消息队列

1、特点

2、原型

3、For Example

四、信号量

1、特点

2、原型

3、For Example

五、共享内存

1、特点

2、原型

3、For Example

五种通讯方式总结

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进程/线程/协程 · 2023年5月5日 0

进程间的五种通信方式介绍

一、管道

1、特点：

2、原型：

3、For Example

二、FIFO

1、特点

2、原型

3、For Example

三、消息队列

1、特点

2、原型

3、For Example

四、信号量

1、特点

2、原型

3、For Example

五、共享内存

1、特点

2、原型

3、For Example

五种通讯方式总结

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