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Linux下C程式設計 程序通信 (IPC)

本文轉自：http://www.cppblog.com/bigsml/archive/2009/03/04/10847.html

在Linux中存在下面幾種程序間通信方式:

1.POSIX無名信号量

2.System V信号量

3.System V消息隊列

4.System V共享記憶體

5.管道(FIFO)

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1。POSIX無名信号量

如果你學習過作業系統,那麼肯定熟悉PV操作了.PV操作是原子操作.也就是操作是不可以中斷的,在一定的時間内,隻能夠有一個程序的代碼在CPU上面執行.在系統當中,有時候為了順利的使用和保護共享資源,大家提出了信号的概念. 假設我們要使用一台列印機, 如果在同一時刻有兩個程序在向列印機輸出,那麼最終的結果會是什麼呢.為了處理這種情況,POSIX标準提出了有名信号量和無名信号量的概念,由于 Linux隻實作了無名信号量,我們在這裡就隻是介紹無名信号量了. 信号量的使用主要是用來保護共享資源,使的資源在一個時刻隻有一個程序所擁有.為此我們可以使用一個信号燈.當信号燈的值為某個值的時候,就表明此時資源不可以使用.否則就表>示可以使用. 為了提供效率,系統提供了下面幾個函數 

POSIX的無名信号量的函數有以下幾個:

  int  sem_init(sem_t  * sem, int  pshared,unsigned  int  value);

  int  sem_destroy(sem_t  * sem);

  int  sem_wait(sem_t  * sem);

  int  sem_trywait(sem_t  * sem);

  int  sem_post(sem_t  * sem);

  int  sem_getvalue(sem_t  * sem);

sem_init建立一個信号燈,并初始化其值為value.pshared決定了信号量能否在幾個程序間共享.由于目前Linux還沒有實作程序間共享信号燈,是以這個值隻能夠取0.

sem_destroy是用來删除信号燈的.

sem_wait調用将阻塞程序,直到信号燈的值大于0.這個函數傳回的時候自動的将信号燈的值的件一.

sem_post和sem_wait相反,是将信号燈的内容加一同時發出信号喚醒等待的程序..

sem_trywait和sem_wait相同,不過不阻塞的,當信号燈的值為0的時候傳回EAGAIN,表示以後重試.

sem_getvalue得到信号燈的值.

由于Linux不支援,我們沒有辦法用源程式解釋了.

2。System V信号量

信号燈的主要用途是保護臨界資源(在一個時刻隻被一個程序所擁有). System V信号量的函數主要有下面幾個.

key_t ftok( char   * pathname, char  proj);

int  semget(key_t key, int  nsems, int  semflg);

int  semctl( int  semid, int  semnum, int  cmd,union semun arg);

int  semop( int  semid, struct  sembuf  * spos, int  nspos);

struct  sembuf{

short  sem_num; 

short  sem_op; 

short  sem_flg; 

};

ftok函數是根據pathname和proj來建立一個關鍵字.

semget建立一個信号量.成功時傳回信号的ID,key是一個關鍵字,可以是用ftok建立的也可以是IPC_PRIVATE表明由系統選用一個關鍵字. nsems表明我們建立的信号個數.semflg是建立的權限标志,和我們建立一個檔案的标志相同.

semctl對信号量進行一系列的控制.semid是要操作的信号标志,semnum是信号的個數,cmd是操作的指令.經常用的兩個值是:SETVAL(設定信号量的值)和IPC_RMID(删除信号燈).arg是一個給cmd的參數.

semop是對信号進行操作的函數.semid是信号标志,spos是一個操作數組表明要進行什麼操作,nspos表明數組的個數. 如果 sem_op大于0,那麼操作将sem_op加入到信号量的值中,并喚醒等待信号增加的程序. 如果為0,當信号量的值是0的時候,函數傳回,否則阻塞直到信号量的值為0. 如果小于0,函數判斷信号量的值加上這個負值.如果結果為0喚醒等待信号量為0的程序,如果小與0函數阻塞.如果大于0,那麼從信号量裡面減去這個值并傳回.

下面我們一以一個執行個體來說明這幾個函數的使用方法. 

#define  PERMS S_IRUSR|S_IWUSR
void  init_semaphore_struct(struct  sembuf * sem, int  semnum, int  semop, int semflg)
{
  /*  初始話信号燈結構 */ 
 sem -> sem_num= semnum;
 sem -> sem_op= semop;
 sem -> sem_flg= semflg;
}
int  del_semaphore(int  semid)
{
  /*  信号燈并不随程式的結束而被删除,如果我們沒删除的話(将1改為0)
 可以用ipcs指令檢視到信号燈,用ipcrm可以删除信号燈的
  */ 
  #if  1
  return  semctl(semid,0 ,IPC_RMID);
  #endif 
}

int  main(int  argc, char   **argv)
{
  char  buffer[MAX_CANON],* c;
  int  i,n;
  int  semid,semop_ret,status;
 pid_t childpid;
  struct  sembuf semwait,semsignal;

  if ((argc!= 2 ) || ((n= atoi(argv[1 ])) < 1 ))
 {
  fprintf(stderr, " Usage:%s number\n\a " ,argv[ 0 ]);
  exit( 1 );
 }
 
  /*  使用IPC_PRIVATE 表示由系統選擇一個關鍵字來建立  */ 
  /*  建立以後信号燈的初始值為0 */ 
  if ((semid= semget(IPC_PRIVATE,1 ,PERMS)) ==- 1 )
 {
  fprintf(stderr, " [%d]:Acess Semaphore Error:%s\n\a " ,
  getpid(),strerror(errno));
  exit( 1 );
 }

  /*  semwait是要求資源的操作(-1) */ 
 init_semaphore_struct( & semwait, 0 , - 1, 0 );

  /*  semsignal是釋放資源的操作(+1) */ 
 init_semaphore_struct( & semsignal, 0 , 1 ,0 );

  /*  開始的時候有一個系統資源(一個标準錯誤輸出) */ 
  if (semop(semid,& semsignal,1 ) ==- 1 )
 {
  fprintf(stderr, " [%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a ", getpid(), strerror(errno));
   if (del_semaphore(semid)==- 1 )
   fprintf(stderr, " [%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a " , getpid(), strerror(errno));
  exit( 1 );
 }

  /*  建立一個程序鍊 */ 
  for (i= 0 ;i < n;i++ )
   if (childpid= fork())  break ;

 sprintf(buffer, " [i=%d]-->[Process=%d]-->[Parent=%d]-->[Child=%d]\n " , i,getpid(),getppid(),childpid);
 c = buffer;

  /*  這裡要求資源,進入原子操作 */ 
  while (((semop_ret= semop(semid,& semwait, 1 )) ==-1 ) && (errno ==EINTR));
  if (semop_ret==- 1 )
 {
  fprintf(stderr, " [%d]:Decrement Semaphore Error:%s\n\a ",
  getpid(),strerror(errno));
 }
  else 
 {
   while (* c != ' \0' )fputc( * c ++,stderr);
   /*  原子操作完成,趕快釋放資源 */ 
   while (((semop_ret= semop(semid,& semsignal,1 )) ==- 1 )&& (errno == EINTR));
   if (semop_ret==- 1 )
   fprintf(stderr, " [%d]:Increment Semaphore Error:%s\n\a ", getpid(),strerror(errno));
 }

  /*  不能夠在其他程序反問信号燈的時候,我們删除了信号燈 */ 
  while ((wait(& status) ==- 1 )&& (errno == EINTR));
  /*  信号燈隻能夠被删除一次的 */ 
  if (i== 1 )
   if (del_semaphore(semid)==- 1 )
 fprintf(stderr, " [%d]:Destroy Semaphore Error:%s\n\a " , getpid(),strerror(errno));
 exit( 0 );
}

3。SystemV消息隊列

為了便于程序之間通信,我們可以使用管道通信 SystemV也提供了一些函數來實作程序的通信.這就是消息隊列.

int  msgget(key_t key, int  msgflg);

int  msgsnd( int  msgid, struct  msgbuf  * msgp, int  msgsz, int  msgflg);

int  msgrcv( int  msgid, struct  msgbuf  * msgp, int  msgsz,

long  msgtype, int  msgflg);

int  msgctl(Int msgid, int  cmd, struct  msqid_ds  * buf);

struct  msgbuf {

long  msgtype;     

}

msgget函數和semget一樣,傳回一個消息隊列的标志.

msgctl和semctl是對消息進行控制.

msgsnd和msgrcv函數是用來進行消息通訊的.msgid是接受或者發送的消息隊列标志. msgp是接受或者發送的内容.msgsz是消息的大小. 結構msgbuf包含的内容是至少有一個為msgtype.其他的成分是使用者定義的.對于發送函數msgflg指出緩沖區用完時候的操作.接受函數指出無消息時候的處理.一般為 0. 接收函數msgtype指出接收消息時候的操作.

如果msgtype=0,接收消息隊列的第一個消息.大于0接收隊列中消息類型等于這個值的第一個消息.小于0接收消息隊列中小于或者等于 msgtype絕對值的所有消息中的最小一個消息. 我們以一個執行個體來解釋程序通信.下面這個程式有server和client組成.先運作服務端後運作用戶端.

服務端 server.c

#define    MSG_FILE "server.c"

#define    BUFFER 255

#define    PERM S_IRUSR|S_IWUSR

struct  msgtype {

long  mtype;

char  buffer[BUFFER + 1 ];

};

int  main()

{

     struct  msgtype msg;

    key_t key;

     int  msgid;

     if ((key = ftok(MSG_FILE, ' a ' )) ==- 1 )

    {

        fprintf(stderr, " Creat Key Error:%s\a\n " ,strerror(errno));

        exit( 1 );

    }

     if ((msgid = msgget(key,PERM | IPC_CREAT | IPC_EXCL)) ==- 1 )

    {

        fprintf(stderr, " Creat Message  Error:%s\a\n " ,strerror(errno));

        exit( 1 );

    }

     while ( 1 )

    {

        msgrcv(msgid, & msg, sizeof ( struct  msgtype), 1 , 0 );

        fprintf(stderr, " Server Receive:%s\n " ,msg.buffer);

        msg.mtype = 2 ;

        msgsnd(msgid, & msg, sizeof ( struct  msgtype), 0 );

    }

    exit( 0 );

}

--------------------------------------------------------------------------------

用戶端(client.c)

#define    MSG_FILE "server.c"

#define    BUFFER 255

#define    PERM S_IRUSR|S_IWUSR

struct  msgtype {

long  mtype;

char  buffer[BUFFER + 1 ];

};

int  main( int  argc, char   ** argv)

{

  struct  msgtype msg;

 key_t key;

  int  msgid;

  if (argc != 2 )

 {

  fprintf(stderr, " Usage:%s string\n\a " ,argv[ 0 ]);

  exit( 1 );

 }

  if ((key = ftok(MSG_FILE, ' a ' )) ==- 1 )

 {

  fprintf(stderr, " Creat Key Error:%s\a\n " ,strerror(errno));

  exit( 1 );

 }

  if ((msgid = msgget(key,PERM)) ==- 1 )

 {

  fprintf(stderr, " Creat Message  Error:%s\a\n " ,strerror(errno));

  exit( 1 );

 }

 msg.mtype = 1 ;

 strncpy(msg.buffer,argv[ 1 ],BUFFER);

 msgsnd(msgid, & msg, sizeof ( struct  msgtype), 0 ); 

 memset( & msg, ' \0 ' , sizeof ( struct  msgtype));

 msgrcv(msgid, & msg, sizeof ( struct  msgtype), 2 , 0 );

 fprintf(stderr, " Client receive:%s\n " ,msg.buffer);

 exit( 0 );

}  

注意服務端建立的消息隊列最後沒有删除,我們要使用ipcrm指令來删除的.

4。SystemV共享記憶體

還有一個程序通信的方法是使用共享記憶體.SystemV提供了以下幾個函數以實作共享記憶體.

int  shmget(key_t key, int  size, int  shmflg);

void   * shmat( int  shmid, const   void   * shmaddr, int  shmflg);

int  shmdt( const   void   * shmaddr);

int  shmctl( int  shmid, int  cmd, struct  shmid_ds  * buf);

shmget和shmctl沒有什麼好解釋的.size是共享記憶體的大小.

shmat是用來連接配接共享記憶體的.shmdt是用來斷開共享記憶體的.

shmaddr,shmflg我們隻要用0代替就可以了.在使用一個共享記憶體之前我們調用 shmat得到共享記憶體的開始位址,使用結束以後我們使用shmdt斷開這個記憶體. 

#define  PERM S_IRUSR|S_IWUSR

int  main( int  argc, char   ** argv)

{

  int  shmid;

  char   * p_addr, * c_addr;

  if (argc != 2 )

 {

  fprintf(stderr, " Usage:%s\n\a " ,argv[ 0 ]);

  exit( 1 );

 }

  if ((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024 ,PERM)) ==- 1 )

 {

  fprintf(stderr, " Create Share Memory Error:%s\n\a " ,strerror(errno));

  exit( 1 );

 }

  if (fork())

 {

  p_addr = shmat(shmid, 0 , 0 );

  memset(p_addr, ' \0 ' , 1024 );

  strncpy(p_addr,argv[ 1 ], 1024 );

  exit( 0 );

 }

  else

 {

  c_addr = shmat(shmid, 0 , 0 );

  printf( " Client get %s " ,c_addr);

  exit( 0 );

 } 

} 

這個程式是父程序将參數寫入到共享記憶體,然後子程序把内容讀出來.最後我們要使用ipcrm釋放資源的.先用ipcs找出ID然後用ipcrm shm ID删除. 

5、管道(FIFO)

管道有無名管道和有名管道兩種，無名管道一般在父子程序中使用。

無名管道的使用方法一般是：

Linux c 程式設計 semaphore struct buffer
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