天天看點
傳回

多程序程式設計知識彙總，附代碼例子！

作者：嵌入式大雜燴

什麼是程序

1、程序和線程的差別

程序是指正在運作的程式，它擁有獨立的記憶體空間和系統資源，不同程序之間的資料不共享。程序是資源配置設定的基本機關。

線程是程序内的執行單元，它與同一程序内的其他線程共享程序的記憶體空間和系統資源。線程是排程的基本機關。

2、程序的建立和銷毀

在Linux中啟動一個程序有多種方法：

（1）通過system函數啟動程序。（使用簡單，效率較低） 

#include <stdlib.h>

/**
 * @brief 執行系統指令調用指令處理器來執行指令
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] command: 包含被請求變量名稱的 C 字元串
 *
 * @return 如果發生錯誤，則傳回值為 -1，否則傳回指令的狀态。
 */
int system(const char *command);

例子：通過system函數啟動一個程序，列出目前目錄下的檔案及檔案夾。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    system("ls");
    printf("ls end\n");

    return 0;
}

（2）通過fork函數啟動程序。（用于啟動子程序） 

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

/**
 * @brief fork系統調用用于建立一個子程序
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in]
 *
 * @return 如果發生錯誤，則傳回值為 -1，否則傳回指令的狀态。
 */
pid_t fork(void);

例子：通過fork函數啟動子程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(void) 
{
    pid_t res = fork();

    ///< 子程序
    if (res == 0) 
    {
        printf("res = %d, I am child process. pid = %d\n", res, getpid());
        exit(EXIT_SUCCESS);   ///< 正常退出子程序
    } 
    ///< 父程序
    else if (res > 0) 
    {
        printf("res = %d, I am parent process. pid = %d\n", res, getpid());

        int child_status = 0;
        pid_t child_pid = wait(&child_status);   ///< 父程序阻塞等待信号到來或子程序結束
        printf("Child process(pid = %d) has been terminated, child_status = %d\n", child_pid, child_status);
    } 
    ///< 異常退出
    else 
    {
        printf("Fork failed.\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return 0;
}

編譯、運作：

多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

我們使用了fork()系統調用來建立一個新程序。如果fork()傳回值為0，則說明目前程序是子程序；如果傳回值大于0，則說明目前程序是父程序。在父程序中，我們使用wait()系統調用來等待子程序結束。當子程序結束後，父程序會繼續執行。

（3）通過exec系列函數啟動程序。（用于啟動新程序，新程序會覆寫舊程序） 

#include <unistd.h>

/**
 * @brief 啟動新程序，新程序會覆寫舊程序
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] path: 所執行檔案的路徑
 * @param[in] file: 所執行檔案的名稱
 * @param[in] arg: 傳入的參數清單，以NULL作為結束
 * @param[in] envp: 傳入的環境變量
 *
 * @return 如果發生錯誤，則傳回值為 -1，否則傳回指令的狀态。
 */
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

例子：通過execl()函數的參數清單調用了ls指令程式

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    execl("/bin/ls", "ls", "-la", NULL);
    printf("ls end\n");
    return 0;
}

execl()函數的參數清單調用了ls指令程式，與在終端上運作”ls -la”産生的結果是一樣的。

在Linux中終止一個程序有多種方法：

  • 從main函數傳回。（正常終止）
  • 調用exit()函數終止。（正常終止）
  • 調用_exit()函數終止。（正常終止）
  • 調用abort()函數終止。（異常終止）
  • 由系統信号終止。（異常終止）

程序間通信方式

程序間通信是指在不同程序之間傳播或交換資訊的一種機制。每個程序各自有不同的使用者位址空間，任何一個程序的全局變量在另一個程序中都看不到，是以程序之間要交換資料必須通過核心，在核心中開辟一塊緩沖區，程序A把資料從使用者空間拷到核心緩沖區，程序B再從核心緩沖區把資料讀走，核心提供的這種機制稱為程序間通信。

程序間通信的目的：

  • 傳輸資料。比如程序 A 負責生成資料，程序 B 負責處理資料，資料需要從 A 程序傳輸至 B 程序。
  • 共享資源。比如程序 A 與程序 B 共享某一塊記憶體資源。
  • 子產品化。将系統功能劃分為多個程序子產品進行開發，友善開發維護。
  • 加速計算。多核處理器環境，一個特定程序劃分為幾個程序并行運作。

Linux IPC（Inter-process Comminication， 程序間通信）的方式：

多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

1、消息隊列

核心中的一個優先級隊列，多個程序通過通路同一個隊列，進行添加結點或者擷取結點實作通信。

POSIX消息隊列頭檔案：

#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <mqueue.h>
編譯連結需要加上 -lrt 連結。

消息隊列API接口：

/**
 * @brief 建立消息隊列執行個體
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] name: 消息隊列名稱
 * @param[in] oflag：根據傳入辨別來建立或者打開一個已建立的消息隊列
                    - O_CREAT: 建立一個消息隊列
                    - O_EXCL: 檢查消息隊列是否存在，一般與O_CREAT一起使用
                    - O_CREAT|O_EXCL: 消息隊列不存在則建立，已存在傳回NULL
                    - O_NONBLOCK: 非阻塞模式打開，消息隊列不存在傳回NULL
                    - O_RDONLY: 隻讀模式打開
                    - O_WRONLY: 隻寫模式打開
                    - O_RDWR: 讀寫模式打開
 * @param[in] mode：通路權限
 * @param[in] attr：消息隊列屬性位址
 *
 * @return 成功傳回消息隊列描述符，失敗傳回-1，錯誤碼存于error中
 */
mqd_t mq_open(const char *name, int oflag,  mode_t mode, struct mq_attr *attr);

/**
 * @brief 無限阻塞方式接收消息
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] mqdes: 消息隊列描述符
 * @param[in] msg_ptr：消息體緩沖區位址
 * @param[in] msg_len：消息體長度，長度必須大于等于消息屬性設定的最大值
 * @param[in] msg_prio：消息優先級
 *
 * @return 成功傳回消息長度，失敗傳回-1，錯誤碼存于error中
 */
mqd_t mq_receive(mqd_t mqdes, char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned *msg_prio);

/**
 * @brief 指定逾時時間阻塞方式接收消息
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] mqdes: 消息隊列描述符
 * @param[in] msg_ptr：消息體緩沖區位址
 * @param[in] msg_len：消息體長度，長度必須大于等于消息屬性設定的最大值
 * @param[in] msg_prio：消息優先級
 * @param[in] abs_timeout：逾時時間
 *
 * @return 成功傳回消息長度，失敗傳回-1，錯誤碼存于error中
 */
mqd_t mq_timedreceive(mqd_t mqdes, char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned *msg_prio, const struct timespec *abs_timeout);

/**
 * @brief 無限阻塞方式發送消息
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] mqdes: 消息隊列描述符
 * @param[in] msg_ptr：待發送消息體緩沖區位址
 * @param[in] msg_len：消息體長度
 * @param[in] msg_prio：消息優先級
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
mqd_t mq_send(mqd_t mqdes, const char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned msg_prio);

/**
 * @brief 指定逾時時間阻塞方式發送消息
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] mqdes: 消息隊列描述符
 * @param[in] msg_ptr：待發送消息體緩沖區位址
 * @param[in] msg_len：消息體長度
 * @param[in] msg_prio：消息優先級
 * @param[in] abs_timeout：逾時時間
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
mqd_t mq_timedsend(mqd_t mqdes, const char *msg_ptr, size_t msg_len, unsigned msg_prio, const struct timespec *abs_timeout);

/**
 * @brief 關閉消息隊列
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] mqdes: 消息隊列描述符
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
mqd_t mq_close(mqd_t mqdes);

/**
 * @brief 分離消息隊列
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] name: 消息隊列名稱
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
mqd_t mq_unlink(const char *name);

消息隊列基本API接口使用例子：發送程序給接收程序發送測試資料。

send.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <mqueue.h>

#define MQ_MSG_MAX_SIZE    512	 ///< 最大消息長度 
#define MQ_MSG_MAX_ITEM    5	 ///< 最大消息數目

static mqd_t s_mq;

typedef struct _msg_data
{
    char buf[128];
    int cnt;
}msg_data_t;


void send_data(void)
{
    static int cnt = 0;
    msg_data_t send_data = {0};

    cnt++;
    strcpy(send_data.buf, "hello");
    send_data.cnt = cnt;
    int ret = mq_send(s_mq, (char*)&send_data, sizeof(send_data), 0);
    if (ret < 0)
    {
        perror("mq_send error");
        return;
    }
    printf("send msg = %s, cnt = %d\n", send_data.buf, send_data.cnt);
}


int main(void)
{
    int ret = 0;
    struct mq_attr attr;

    ///< 建立消息隊列
    memset(&attr, 0, sizeof(attr));
    attr.mq_maxmsg = MQ_MSG_MAX_ITEM;
    attr.mq_msgsize = MQ_MSG_MAX_SIZE;
    attr.mq_flags = 0;
    s_mq = mq_open("/mq", O_CREAT|O_RDWR, 0777, &attr);
	if(-1 == s_mq)
    {
        perror("mq_open error");
        return -1;
    }

    for (size_t i = 0; i < 10; i++)
    {
        send_data();
        sleep(1);
    }

    mq_close(s_mq);

    return 0;
}

recv.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <mqueue.h>

#define MQ_MSG_MAX_SIZE    512	 ///< 最大消息長度 
#define MQ_MSG_MAX_ITEM    5	 ///< 最大消息數目

static mqd_t s_mq;

typedef struct _msg_data
{
    char buf[128];
    int cnt;
}msg_data_t;

int main(void)
{
    int ret = 0;
    struct mq_attr attr;
    char recv_msg[MQ_MSG_MAX_SIZE] = {0};
    msg_data_t recv_data = {0};
    int prio = 0;
    ssize_t len = 0;

    s_mq = mq_open("/mq", O_RDONLY);
	if(-1 == s_mq)
    {
        perror("mq_open error");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        if((len = mq_receive(s_mq, (char*)&recv_data, MQ_MSG_MAX_SIZE, &prio)) == -1)
        {
            perror("mq_receive error");
            return -1;
        }
        printf("recv_msg = %s, cnt = %d\n", recv_data.buf, recv_data.cnt);
        sleep(1);
    }

    mq_close(s_mq);
    mq_unlink("/mq");

    return 0;
}

編譯、運作：

gcc send.c -o send_process -lrt
gcc recv.c -o recv_process -lrt
多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

2、共享記憶體

消息隊列的讀取和寫入的過程，會有發生使用者态與核心态之間的消息拷貝過程。而共享記憶體的方式則沒有這個拷貝過程，程序間通信速度較快。

在實體記憶體上開辟一塊記憶體空間，多個程序可以将同一塊實體記憶體空間映射到自己的虛拟位址空間，通過自己的虛拟位址直接通路這塊空間，通過這種方式實作資料共享。

多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

POSIX共享記憶體頭檔案：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

共享記憶體API接口：

/**
 * @brief 建立共享記憶體執行個體
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] name: 要打開或建立的共享記憶體檔案名
 * @param[in] oflag：打開的檔案操作屬性
                    - O_CREAT: 建立一個共享記憶體檔案
                    - O_EXCL: 檢查共享記憶體是否存在，一般與O_CREAT一起使用
                    - O_CREAT|O_EXCL: 共享記憶體不存在則建立，已存在傳回NULL
                    - O_NONBLOCK: 非阻塞模式打開，共享記憶體不存在傳回NULL
                    - O_RDONLY: 隻讀模式打開
                    - O_WRONLY: 隻寫模式打開
                    - O_RDWR: 讀寫模式打開
 * @param[in] mode：檔案共享模式，例如 0777
 *
 * @return 成功傳回共享記憶體描述符，失敗傳回-1，錯誤碼存于error中
 */
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

/**
 * @brief 删除共享記憶體
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] name: 建立的共享記憶體檔案名
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int shm_unlink(const char *name);

/**
 * @brief 将打開的檔案映射到記憶體
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] addr: 要将檔案映射到的記憶體位址，一般應該傳遞NULL來由Linux核心指定
 * @param[in] length: 要映射的檔案資料長度
 * @param[in] prot: 映射的記憶體區域的操作權限（保護屬性），包括PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
 * @param[in] flags: 标志位參數，包括：MAP_SHARED、MAP_PRIVATE與MAP_ANONYMOUS。
 * @param[in] fd:  用來建立映射區的檔案描述符，用 shm_open打開或者open打開的檔案
 * @param[in] offset: 映射檔案相對于檔案頭的偏移位置，應該按4096位元組對齊
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
 
/**
 * @brief 取消記憶體映射
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] addr: 由mmap成功傳回的位址
 * @param[in] length: 要取消的記憶體長度
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int munmap(void *addr, size_t length);

/**
 * @brief 将參數fd指定的檔案大小改為參數length指定的大小
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] fd: 已打開的檔案描述符，以寫入模式打開的檔案
 * @param[in] length: 要設定的長度
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int ftruncate(int fd,off_t length);

/**
 * @brief 擷取檔案相關的資訊，将擷取到的資訊放入到statbuf結構體中
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] fd: 已打開的檔案描述符
 * @param[out] statbuf: 檔案的資訊
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int fstat(int fd, struct stat *statbuf);

共享記憶體基本API接口使用例子：發送程序給接收程序發送測試資料。

send.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <sys/mman.h>

#define SHM_NAME "/shm"

int main(void)
{
    int ret = 0;

    ///< 建立和讀端相同的檔案辨別
    int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    if (shm_fd == -1) 
    {
        printf("shm_open error\n");
    }

    ///< 設定共享記憶體檔案為8KB
    ftruncate(shm_fd , 8 * 1024);

    ///< 擷取共享記憶體檔案相關屬性資訊
    struct stat filestat = {0};
    fstat(shm_fd, &filestat);
    printf("st_size = %ld\n",filestat.st_size);

    ///< 記憶體映射
    char *shm_ptr = (char*)mmap(NULL, filestat.st_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    close(shm_fd);

    ///< 向共享記憶體中寫入資料
    char buf[] = "hello world";
    memmove(shm_ptr,buf, sizeof(buf));
    printf("pid %d, %s\n",getpid(), shm_ptr);

    ///< 寫入完成後解除映射
    munmap(shm_ptr, filestat.st_size);

    return 0;
}

recv.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <sys/mman.h>

#define SHM_NAME "/shm"

int main(void)
{
    ///< 建立共享記憶體檔案辨別符
    int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    if (shm_fd == -1) 
    {
        printf("shm_open failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 設定共享記憶體檔案為8KB
    ftruncate(shm_fd , 8192);

    ///< 擷取共享記憶體檔案相關屬性資訊
    struct stat filestat;
    fstat(shm_fd, &filestat);
    printf("st_size = %ld\n",filestat.st_size);

    ///< 映射共享記憶體，并擷取共享記憶體的位址
    char *shm_ptr = (char*)mmap(NULL, filestat.st_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    close(shm_fd);
    
    ///< 擷取共享記憶體位址中的内容并列印，最後再解除映射，删除共享記憶體
    printf("pid = %d， %s\n", getpid(), shm_ptr);
    munmap(shm_ptr, filestat.st_size);
    shm_unlink(SHM_NAME);

    return 0;
}

編譯、運作：

gcc send.c -o send_process -lrt
gcc recv.c -o recv_process -lrt
多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！
對具有多個處理核系統消息傳遞的性能要優于共享記憶體。共享記憶體會有高速緩存一緻性問題，這是由共享資料在多個高速緩存之間遷移而引起的。随着系統的處理核的數量的日益增加，可能導緻消息傳遞作為 IPC 的首選機制。

3、socket

UNIX域套接字與傳統基于TCP/IP協定棧的socket不同，unix domain socket以檔案系統作為位址空間，不需經過TCP/IP的頭部封裝、封包ack确認、路由選擇、資料校驗與重傳過程，是以傳輸速率上也不會受網卡帶寬的限制。

unix domain socket在程序間通信同樣是基于“用戶端—伺服器”（C-S）模式。

UNIX域套接字基本API接口使用例子：基于UNIX域套接字用戶端程序向服務端程序發送測試資料。

server.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/un.h>

#define SERVER_PATH "/tmp/server" 

int main(void)
{
	///< 建立UNIX域位元組流套接字
	int server_fd = socket(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0);
	if(server_fd < 0)
	{
		printf("socket error\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	///< 綁定服務端位址
	unlink(SERVER_PATH);
	struct sockaddr_un server_addr;
	memset((char*)&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
	server_addr.sun_family = AF_LOCAL;
	strncpy(server_addr.sun_path, SERVER_PATH, sizeof(server_addr.sun_path)-1);
	if(bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0)
	{
		printf("bind error\n");
        close(server_fd);
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	///< 監聽
	if(listen(server_fd, 10) < 0)	
	{
		printf("listen error\n");
        close(server_fd);
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

    ///< 等待用戶端連接配接
	int addr_len = sizeof(struct sockaddr);
    struct sockaddr_un client_addr;
	int client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, (socklen_t *)&addr_len);
	if(client_fd < 0)
	{
		printf("accept error\n");
		close(server_fd);
		unlink(SERVER_PATH);
		exit(1); 
	}
	else
	{
		printf("connected client: %s\n", client_addr.sun_path);
	}

	while(1)
	{
        char buf[128] = {0};

        int recv_len = read(client_fd, buf, sizeof(buf)); 
        if(recv_len <= 0)
        {
            printf("recv error!\n");
            close(client_fd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

        printf("recv : %s\n", buf);
	}

    unlink(SERVER_PATH);
	close(server_fd);
    close(client_fd);

    return 0;
}

client.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/un.h>

#define SERVER_PATH "/tmp/server"
#define CLIENT_PATH "/tmp/client"

int main(void)
{
	///< 建立UNIX域位元組流套接字
	int client_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
	if(client_fd < 0)
	{
		printf("socket error\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	///< 顯式綁定用戶端位址
    struct sockaddr_un client_addr;
	memset((char*)&client_addr, 0, sizeof(client_addr));
	client_addr.sun_family = AF_UNIX;
	strncpy(client_addr.sun_path, CLIENT_PATH, sizeof(client_addr.sun_path)-1);
	unlink(CLIENT_PATH);
	if(bind(client_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, sizeof(client_addr)) < 0)
	{
		printf("bind error\n");
		close(client_fd);
		exit(1); 
	}

	///< 連接配接服務端
    struct sockaddr_un server_addr;
	server_addr.sun_family 	= AF_UNIX;
	strncpy(server_addr.sun_path, SERVER_PATH, sizeof(server_addr.sun_path)-1);
	int ret = connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)); 
	if(ret < 0)
	{
		printf("connect error\n");
		close(client_fd);
		unlink(CLIENT_PATH);
		exit(1);  
	} 
	printf("connect to server: %s\n", server_addr.sun_path);

	while(1)
	{
        char buf[128] = {0};
        if (scanf("%s", buf))
        {
            int send_len = write(client_fd, buf, strlen(buf));
            if (send_len <= 0)
            {
                printf("write error!\n");
                close(client_fd);
                exit(EXIT_FAILURE);  
            }
            else
            {
                printf("send success! send: %s, send_len: %d\n", buf, send_len);
            }
        } 
	}

    unlink(SERVER_PATH);
    close(client_fd);

    return 0;
}

編譯、運作：

gcc server.c -o server_process
gcc client.c -o client_process
多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

類socket的其它程序間通信方式：

實用 | nanomsg通信庫的簡單使用分享

mqtt應用于程序間通信

4、管道

在核心中開辟一塊緩沖區；若多個程序拿到同一個管道(緩沖區)的操作句柄，就可以通路同一個緩沖區，就可以進行通信。涉及到兩次使用者态與核心态之間的資料拷貝。

（1）匿名管道

核心中的緩沖區是沒有具體的辨別符的，匿名管道隻能用于具有親緣關系的程序間通信。

多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

調用pipe接口可以建立一個匿名管道，并傳回了兩個描述符，一個是管道的讀取端描述符 fd[0]，另一個是管道的寫入端描述符 fd[1]。

管道是一個半雙工通信(可以選擇方向的單向傳輸)

匿名管道基本API接口使用例子：父程序通過管道發送測試資料給子程序。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main()
{
    ///< 建立管道
	int pipefd[2] = {-1};
  	int ret = pipe(pipefd);
    if (ret < 0)
    {
       printf("pipe error\n");
       exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int read_fd = pipefd[0];   ///< pipefd[0] 用于從管道中讀取資料
    int write_fd = pipefd[1];  ///< pipefd[1] 用于向管道中寫入資料

    ///< 建立子程序
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        ///< 子程序從管道讀取資料  
		char buf[128] = {0};
		read(read_fd, buf, sizeof(buf));
        printf("child recv data from father: %s", buf);
	}
    else if (pid > 0)
   {
		///< 父程序向管道寫入資料
        char *ptr = "hello88888888\n";
        write(write_fd, ptr, strlen(ptr));
    }
	return 0;
}

編譯、運作：

多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！
如果需要雙向通信，則應該建立兩個管道。

（2）命名管道

命名管道也是核心中的一塊緩沖區，并且這個緩沖區具有辨別符；這個辨別符是一個可見于檔案系統的管道檔案，能夠被其他程序找到并打開管道檔案，則可以擷取管道的操作句柄，是以該命名管道可用于同一主機上的任意程序間通信。

建立命名管道的接口：

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

命名管道基本API接口使用例子：一個程序往管道中寫入測試資料，另一個程序從管道中讀取資料。

fifo_wr.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

#define FIFO_PATH  "./fifo_file"

typedef struct _msg_data
{
    char buf[128];
    int cnt;
}msg_data_t;

void send_data(int fd)
{
    static int cnt = 0;
    msg_data_t send_data = {0};

    cnt++;
    strcpy(send_data.buf, "hello");
    send_data.cnt = cnt;
    write(fd, &send_data, sizeof(send_data));
    printf("send msg = %s, cnt = %d\n", send_data.buf, send_data.cnt);
}

int main(void)
{
    ///< 建立管道檔案
    int ret = mkfifo(FIFO_PATH, 0664);
    if (ret < 0 && errno != EEXIST)
    {
        printf("mkfifo error\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 以隻寫的方式打開管道檔案
    int fd = open(FIFO_PATH, O_WRONLY);
    if (fd < 0)
    {
        printf("open fifo error\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("open fifo success\n");
    
    ///< 寫10次
    for (size_t i = 0; i < 10; i++)
    {
        send_data(fd);
        sleep(1);
    }
    
    close(fd);

    return 0;
}

fifo_rd.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

#define FIFO_PATH  "./fifo_file"

typedef struct _msg_data
{
    char buf[128];
    int cnt;
}msg_data_t;

int main(void)
{
    umask(0);
    ///< 建立管道檔案
    int ret = mkfifo(FIFO_PATH,0664 );
    if (ret < 0 && errno != EEXIST)
    {
        printf("mkfifo error\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    ///< 以隻讀方式擷取管道檔案的操作句柄
    int fd = open(FIFO_PATH, O_RDONLY);
    if (fd < 0)
    {
        printf("open error\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("open fifo success\n");

    while(1)
    {
        msg_data_t read_data = {0};
        ///< 将從管道讀取的檔案寫到buf中
        int ret = read(fd, &read_data, sizeof(read_data));
        if (ret < 0)
        {
            printf("read error\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        else if (ret == 0)
        {
            printf("all write closed\nd");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("read_data = %s, cnt = %d\n", read_data.buf, read_data.cnt);
        sleep(1);
    }
    close(fd);

    return 0;
}

編譯、運作：

gcc fifo_wr.c -o fifo_wr
gcc fifo_rd.c -o fifo_rd
多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

5、信号量

信号量（Seamphore）是程序和線程間同步的一種機制。

信号量本質是一個非負的整型變量。增加一個可用資源執行加一，也稱為V操作；擷取一個資源資源後執行減一，也稱為P操作。

信号量根據信号值不同可分為兩類：

  • 二值信号量，信号量值隻有0和1，初始值為1，1表示資源可用，0表示資源不可用；二值信号量與互斥鎖類似。
  • 計數信号量， 信号量的值在0到一個大于1的限制值之間，信号值表示可用的資源的數目。

信号量根據作用對象不同可分為兩類：

  • 有名信号量，信号值儲存在檔案中，用于程序間同步
  • 無名信号量，又稱為基于記憶體信号量，信号值儲存在記憶體中，用于線程間同步

POSIX信号量頭檔案：

#include <semaphore.h>
編譯連結需要加-lpthread參數。

信号量API接口：

/**
 * @brief 建立信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] name: 信号量名稱
 * @param[in] mode: 通路權限
 * @param[in] value: 信号量初始值
 *
 * @return 成功時傳回指向信号量的指針，出錯時為SEM_FAILED
 */
sem_t *sem_open(const char *name,int oflag, mode_t mode, unsigned int value);

/**
 * @brief 初始化信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 * @param[in] pshared: 信号量作用域，分為程序内作用域PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和跨程序作用域PTHREAD_PROCESS_SHARED
 * @param[in] value: 信号量初始值
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

/**
 * @brief 擷取信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 * @param[out] sval: 儲存傳回信号值位址
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

/**
 * @brief 阻塞方式等待信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_wait(sem_t *sem);

/**
 * @brief 指定逾時時間阻塞方式等待信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 * @param[in] sem: 逾時時間，機關為時鐘節拍
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

/**
 * @brief 非阻塞方式等待信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_trywait(sem_t *sem);

/**
 * @brief 産生信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_post(sem_t *sem);

/**
 * @brief 銷毀信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_destroy(sem_t *sem);

/**
 * @brief 關閉信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] sem: 信号量執行個體位址
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_close(sem_t *sem);

/**
 * @brief 分離信号量
 *
 * Detailed function description
 *
 * @param[in] name: 信号量名稱
 *
 * @return 成功傳回0，失敗傳回-1
 */
int sem_unlink(const char *name);

信号量基本API接口使用例子：父子程序間通信

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>

#define SEM_NAME "sem"

int main (void)
{
    int sem_val = 0;

    ///< 建立信号量
    sem_t *sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0666, 1);
    if (NULL == sem)
    {
       printf("sem_open error\n");
       exit(EXIT_FAILURE); 
    }

    ///< 建立子程序
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) 
    {
        printf("fork error\n");
        sem_close(sem);
        sem_unlink(SEM_NAME);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if(pid == 0) 
    {
        ///< 子程序進行5次P操作
        for (size_t i = 0; i < 5; i++)
        {
            sem_wait(sem);
            if (sem_getvalue(sem, &sem_val) != -1) 
            {
                printf("child process P operation, sem_val = %d\n", sem_val);
                sleep(1);
            }
        }
        _exit(1);
    }
    else if (pid > 0)
    {
        ///< 父程序執行5次V操作
        for (size_t i = 0; i < 5; i++)
        {
            sem_post(sem);
            if (sem_getvalue(sem, &sem_val) != -1) 
            {
                printf("prarent process V operation, sem_val = %d\n", sem_val);
                sleep(2);
            }
        }
    }

    ///< 删除sem信号量
    sem_close(sem);
    if (sem_unlink(SEM_NAME) != -1) 
    {
        printf("sem_unlink success\n");
    }

    return 0;
}

編譯、運作：

多程式程式設計知識彙總，附代碼例子！

IPC總結

作業系統根據不同的場景提供了不同的方式，消息隊列、共享記憶體、UNIX域套接字、管道、信号量。

消息隊列： 核心中的一個優先級隊列，多個程序通過通路同一個隊列，在隊列當中添加或者擷取節點來實作程序間通信。

共享記憶體： 本質是一塊實體記憶體，多個程序将同一塊實體記憶體映射到自己的虛拟位址空間中，再通過頁表映射到實體位址達到程序間通信，它是最快的程序間通信方式，相較其他通信方式少了兩步資料拷貝操作。

UNIX域套接字： 與TCP/IP套接字使用方式相同，但UNIX域套接字以檔案系統作為位址空間，不需經過TCP/IP的頭部封裝、封包ack确認、路由選擇、資料校驗與重傳過程，是以傳輸速率上也不會受網卡帶寬的限制。

管道： 核心中的一塊緩沖區，分為匿名管道和命名管道。匿名管道隻能用于具有親緣關系的程序間；而命名管道可用于同一主機上任意程序間通信。

信号量： 本質是核心中的一個計數器，主要實作程序間的同步與互斥，對資源進行計數，有兩種操作，分别是在通路資源之前進行的p操作，還有産生資源之後的v操作。

相關資料：

  • https://xiaolincoding.com/os/4_process/process_commu.html
  • https://blog.csdn.net/sjsjnsjnn/article/details/125864580
  • https://huaweicloud.csdn.net/63564439d3efff3090b5cdec.html
  • https://blog.51cto.com/u_13456560/5822959

如果文章對你有幫助，麻煩幫忙點贊、收藏、轉發，謝謝！

私信回複【嵌入式書籍】，可擷取部落客精心整理的嵌入式電子書一份

多程序程式設計 程式設計知識 知識彙總 代碼例子
上一篇: 伺服器維護實習生日記,電信網絡維護部實習日記範文八篇
下一篇: 多媒體一鍵釋出怎麼實作？

繼續閱讀