linux 如何进行用户进程间的通信

一、概述

在Linux系统中，用户进程间的通信方法多种多样，主要包括管道（PIPE）、信号（SIGNAL）、消息队列（MESSAGE QUEUE）、共享内存（SHARED MEMORY）以及套接字（SOCKET）等方式。而这些方法中，共享内存是最快的一种进程间通信方式，因为它避免了数据的复制过程，进程可以直接访问共享内存中的数据。

二、管道（PIPE）

使用管道进行通信

管道主要分为两种：无名管道（管道）和有名管道（FIFO）。无名管道是最早的UNIX进程间通信方法，它通常用于有亲缘关系的进程之间。而有名管道不同于无名管道，它可以在无关的进程之间进行通信。

无名管道的创建和使用：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int mAIn() {
    int fds[2];
    pipe(fds);
    if (fork() == 0) {
        close(fds[0]); // 子进程关闭读端
        write(fds[1], "Hello, world!", 13);
        close(fds[1]); // 写入结束后关闭写端
    } else {
        char buffer[1024] = {0};
        close(fds[1]); // 父进程关闭写端
        read(fds[0], buffer, 1024); // 从管道读取数据
        printf("Received: %s\n", buffer);
        close(fds[0]); // 读取结束后关闭读端
    }
    return 0;
}

在这个例子中，父子进程通过无名管道进行数据的传输。子进程向管道写入数据后，父进程从管道中读取数据。

有名管道的创建和使用：

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
int main() {
    mkfifo("/tmp/myfifo", 0666);
    int fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);
    write(fd, "Hello, FIFO!", 12);
    close(fd);
    unlink("/tmp/myfifo");  // 删除创建的FIFO文件
    return 0;
}

有名管道可以通过mkfifo系统调用创建一个FIFO文件，然后通过open、write、read等系统调用来进行进程间的通信。

管道通信特点

管道是半双工的，数据只能单向流动；
数据在管道中是顺序的，先入先出；
管道的生命周期随进程，通常两个进程通信结束后管道就会被销毁；
数据的读取和写入可以看成是文件操作，非常直观。

三、信号（SIGNAL）

信号的概念和使用

信号是Linux中用于进程间异步通知的一种机制，一个进程可以发送信号给另一个进程，接收进程可以根据收到的信号执行相应的处理函数。信号用于处理异步事件，例如终止进程（SIGTERM）、程序异常（SIGSEGV）等。

一个信号处理的例子：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
void sig_handler(int signo) {
    if (signo == SIGUSR1)
        printf("Received SIGUSR1!\n");
}
int main() {
    if (signal(SIGUSR1, sig_handler) == SIG_ERR)
        printf("Cannot catch SIGUSR1\n");
    // A simple handler setup for SIGUSR1
    while(1)
        sleep(1);   // This will get interrupted by the SIGUSR1
    return 0;
}

这个程序设置了一个信号处理器，用来处理SIGUSR1信号。当进程接收到这个信号时，它会执行相应的处理函数，这里只是简单地打印出一条信息。

信号通信特点

信号是用来通知接收进程某个事件已经发生；
可以携带简单信息（通过信号的种类或信号的数量）；
不适合传输复杂数据，但是对于控制信息非常有用；
Linux提供了一系列标准信号，程序员也可以定义自己的信号。

四、消息队列（MESSAGE QUEUE）

消息队列的概念和使用

消息队列是一个消息的链表，存储在内核中并由消息队列标识符标识。进程可以向队列中添加消息，或者从队列中读取消息。

创建和使用消息队列的示例代码：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
struct msgbuf {
    long mtype;     /* message type, must be > 0 */
    char mtext[1];  /* message data */
};
int main() {
    key_t key = ftok("somefile", 'b');
    int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);
    struct msgbuf message;
    message.mtype = 1;
    strcpy(message.mtext, "Message Queue Test");
    msgsnd(msgid, &message, sizeof(message.mtext), 0);
    msgrcv(msgid, &message, sizeof(message.mtext), 1, 0);
    printf("Received: %s\n", message.mtext);
    msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}

在这段代码中，首先通过ftok函数创建了一个键值，然后通过msgget函数根据这个键值创建了消息队列。之后，进程可以通过msgsnd函数向队列中发送消息以及通过msgrcv函数从队列中接收消息。

消息队列通信特点

允许不同的进程通过消息队列进行消息的发送和接收；
消息队列存在于内核中，并且不随进程的结束而消失；
各个进程可以通过系统调用来创建、发送、接收以及控制消息队列；
提供了消息的排队机制，可以按照消息的类型来接收；
相比于管道，消息队列结构更复杂但功能更加强大。

五、共享内存（SHARED MEMORY）

共享内存的概念和使用

共享内存允许两个或更多的进程共享一个给定的存储区，因为数据不需要在客户进程和服务器进程之间复制，所以这是最快的一种IPC方式。

创建和使用共享内存的代码例子：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
int main() {
    key_t key = ftok("somefile", 'a');
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT);
    char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0);
    printf("Write Data : ");
    gets(str);
    printf("Data written in memory: %s\n",str);
    shmdt(str);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}

共享内存区被创建后，它必须被进程映射到它们的地址空间，才能被访问。一旦这样做，进程就可以像访问普通内存那样来访问共享内存。

共享内存通信特点

提供了最快的进程间通信方法，因为进程是直接对内存进行操作；
数据不需要在进程间复制，因此效率高；
控制同步对共享内存的访问时需要使用其他同步操作，如信号量；
共享内存适合于需要频繁更新数据的场景。

六、套接字（SOCKET）

套接字的概念和使用

套接字是一种网络通信的标准，虽然主要用于不同主机间的进程通信，但同一主机上的进程也可以通过套接字进行通信。

本地套接字通信的例子：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/un.h>
int main() {
    int sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_un address;
    address.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(address.sun_path, "server_socket");
    connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
    char buffer[1024] = "Hello, Socket!";
    write(sockfd, buffer, sizeof(buffer));  // 发送数据
    read(sockfd, buffer, sizeof(buffer));   // 接收数据
    printf("Received from server: %s\n", buffer);
    close(sockfd);
    return 0;
}