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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、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams支持不同主机上的两个进程IPC。
以Linux中的C语言编程为例。
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：
（1）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。
（2）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）。
（3）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
#includeint 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。 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。
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) // 创建管道 printf("Create Pipe Error!\n"); if((pid = fork()) < 0) // 创建子进程 printf("Fork Error!\n"); else if(pid > 0) // 父进程 { close(fd[0]); // 关闭读端 write(fd[1], "hello world\n", 12); } else { close(fd[1]); // 关闭写端 read(fd[0], buff, 20); printf("%s", buff); } return 0;}
二、FIFO
FIFO，也称为命名管道，它是一种文件类型
1、特点
（1）FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与无名管道不同。
（2）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-1int 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：
（1）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。
（2）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。
write_fifo.c
#include#include // exit#include // O_WRONLY#include #include // timeint 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)) < 0) // 以写打开一个FIFO { perror("Open FIFO Failed"); exit(1); } for(i=0; i<10; ++i) { time(&tp); // 取系统当前时间 n=sprintf(buf,"Process %d's time is %s",getpid(),ctime(&tp)); printf("Send message: %s", buf); // 打印 if(write(fd, buf, n+1) < 0) // 写入到FIFO中 { perror("Write FIFO Failed"); close(fd); exit(1); } sleep(1); // 休眠1秒 } close(fd); // 关闭FIFO文件 return 0;}
read_fifo.c
#include#include #include #include #include int main(){ int fd; int len; char buf[1024]; if(mkfifo("fifo1", 0666) < 0 && errno!=EEXIST) // 创建FIFO管道 perror("Create FIFO Failed"); if((fd = open("fifo1", O_RDONLY)) < 0) // 以读打开FIFO { perror("Open FIFO Failed"); exit(1); } while((len = read(fd, buf, 1024)) > 0) // 读取FIFO管道 printf("Read message: %s", buf); close(fd); // 关闭FIFO文件 return 0;}
上述例子可以扩展成 客户进程—服务器进程 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，下图显示了这种安排：
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
（1）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。
（2）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。
（3）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-1int msgget(key_t key, int flag);// 添加消息：成功返回0，失败返回-1int 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-1int 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-1int 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：
（1）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。
（2）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：
（1）type == 0，返回队列中的第一个消息；
（2）type > 0，返回队列中消息类型为 type 的第一个消息； （3）type < 0，返回队列中消息类型值小于或等于 type 绝对值的消息，如果有多个，则取类型值最小的消息。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。
msg_server.c
#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')) < 0) { perror("ftok error"); exit(1); } // 打印key值 printf("Message Queue - Server key is: %d.\n", key); // 创建消息队列 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) { perror("msgget error"); exit(1); } // 打印消息队列ID及进程ID printf("My msqid is: %d.\n", msqid); printf("My pid is: %d.\n", getpid()); // 循环读取消息 for(;;) { msgrcv(msqid, &msg, 256, 888, 0);// 返回类型为888的第一个消息 printf("Server: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); printf("Server: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); msg.mtype = 999; // 客户端接收的消息类型 sprintf(msg.mtext, "hello, I'm server %d", getpid()); msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); } return 0;}
msg_client.c
#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')) < 0) { perror("ftok error"); exit(1); } // 打印key值 printf("Message Queue - Client key is: %d.\n", key); // 打开消息队列 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) { perror("msgget error"); exit(1); } // 打印消息队列ID及进程ID printf("My msqid is: %d.\n", msqid); printf("My pid is: %d.\n", getpid()); // 添加消息，类型为888 msg.mtype = 888; sprintf(msg.mtext, "hello, I'm client %d", getpid()); msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); // 读取类型为777的消息 msgrcv(msqid, &msg, 256, 999, 0); printf("Client: receive msg.mtext is: %s.\n", msg.mtext); printf("Client: receive msg.mtype is: %d.\n", msg.mtype); return 0;}
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
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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-1int 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-1int 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 < 0，请求 sem_op 的绝对值的资源。
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。 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 若sem_op == 0，进程阻塞直到信号量的相应值为0：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： 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 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。#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')) < 0) { perror("ftok error"); exit(1); } // 创建信号量集，其中只有一个信号量 if((sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0666)) == -1) { perror("semget error"); exit(1); } // 初始化：初值设为0资源被占用 init_sem(sem_id, 0); if((pid = fork()) == -1) perror("Fork Error"); else if(pid == 0) /*子进程*/ { sleep(2); printf("Process child: pid=%d\n", getpid()); sem_v(sem_id); /*释放资源*/ } else /*父进程*/ { sem_p(sem_id); /*等待资源*/ printf("Process father: pid=%d\n", getpid()); sem_v(sem_id); /*释放资源*/ del_sem(sem_id); /*删除信号量集*/ } return 0;}
以上是system V的，下面介绍一个POSIX的信号量同步方法，
主要用到的函数：int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);，其中sem是要初始化的信号量，pshared表示此信号量是在进程间共享还是线程间共享，value是信号量的初始值。
int sem_destroy(sem_t *sem);,其中sem是要销毁的信号量。只有用sem_init初始化的信号量才能用sem_destroy销毁。 int sem_wait(sem_t *sem);等待信号量，如果信号量的值大于0,将信号量的值减1,立即返回。如果信号量的值为0,则线程阻塞。相当于P操作。成功返回0,失败返回-1。 int sem_post(sem_t *sem); 释放信号量，让信号量的值加1。相当于V操作。这种方法更容易理解，建议使用这种方法
POSIX 在无竞争条件下，不需要陷入内核，其实现是非常轻量级的; System V 则不同，无论有无竞争都要执行系统调用，因此性能落了下风。
总体来说，System V IPC存在时间比较老，许多系统都支持，但是接口复杂，并且可能各平台上实现略有区别
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
（1）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。
（2）因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。
（3）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-1int 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-1void *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-1int shmdt(void *addr);// 控制共享内存的相关信息：成功返回0，失败返回-1int 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）。
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 #include // shared memory#include // semaphore#include // message queue#include // memcpy// 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')) < 0) { perror("ftok error"); exit(1); } // 创建共享内存 if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) == -1) { perror("Create Shared Memory Error"); exit(1); } // 连接共享内存 shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0); if((int)shm == -1) { perror("Attach Shared Memory Error"); exit(1); } // 创建消息队列 if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0777)) == -1) { perror("msgget error"); exit(1); } // 创建信号量 semid = creat_sem(key); // 读数据 while(1) { msgrcv(msqid, &msg, 1, 888, 0); /*读取类型为888的消息*/ if(msg.mtext == 'q') /*quit - 跳出循环*/ break; if(msg.mtext == 'r') /*read - 读共享内存*/ { sem_p(semid); printf("%s\n",shm); sem_v(semid); } } // 断开连接 shmdt(shm); /*删除共享内存、消息队列、信号量*/ shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf1); msgctl(msqid, IPC_RMID, &buf2); del_sem(semid); return 0;}
client.c
#include#include #include // shared memory#include // semaphore#include // message queue#include // memcpy// 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')) < 0) { perror("ftok error"); exit(1); } // 获取共享内存 if((shmid = shmget(key, 1024, 0)) == -1) { perror("shmget error"); exit(1); } // 连接共享内存 shm = (char*)shmat(shmid, 0, 0); if((int)shm == -1) { perror("Attach Shared Memory Error"); exit(1); } // 创建消息队列 if ((msqid = msgget(key, 0)) == -1) { perror("msgget error"); exit(1); } // 获取信号量 if((semid = semget(key, 0, 0)) == -1) { perror("semget error"); exit(1); } // 写数据 printf("***************************************\n"); printf("* IPC *\n"); printf("* Input r to send data to server. *\n"); printf("* Input q to quit. *\n"); printf("***************************************\n"); while(flag) { char c; printf("Please input command: "); scanf("%c", &c); switch(c) { case 'r': printf("Data to send: "); sem_p(semid); /*访问资源*/ scanf("%s", shm); sem_v(semid); /*释放资源*/ /*清空标准输入缓冲区*/ while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF); msg.mtype = 888; msg.mtext = 'r'; /*发送消息通知服务器读数据*/ msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); break; case 'q': msg.mtype = 888; msg.mtext = 'q'; msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); flag = 0; break; default: printf("Wrong input!\n"); /*清空标准输入缓冲区*/ while((c=getchar())!='\n' && c!=EOF); } } // 断开连接 shmdt(shm); return 0;}
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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