本文主要说明进程间的几种通信机制，并对比起优缺点与使用场景。

I、IPC方式

进程间通信（IPC，InterProcess Communication）的主要方式包括：管道、FIFO、消息队列、信号量、共享内存已经socket。

1.1 管道

这一节中所说的管道为无名管道。

1、管道具有以下两种局限性：
· 管道为半双工的；
· 管道只能在具有公共祖先的两个进程之间使用，通常，一个管道由一个进程创建，在进程调用fork之后，这个管道就能在父进程和子进程之间使用了。

2、管道通过pipe函数创建：

#include<unistd.h>
int pipe(int fd[2]);      //成功返回0，出错返回-1

经由参数fd返回两个文件描述符：fd[0]为读而打开，fd[1]为写而打开。

3、 下图展示了父子进程之间的管道通信关系：

fork之后做什么取决于我们所需要的数据流方向。
例如对于父进程到子进程管道，父进程关闭管道的fd[0]端，子进程关闭fd[1]端，就形成了一条单工的通信方式，只能由父进程发送至子进程：

再如经典的web服务器tinyhttpd所形成的通信结构如下图所示：

1.2、FIFO

FIFO即为命名管道，与无名管道不同的是，其可以在不相关的程序之间交换数据。

1、FIFO其实是一种文件类型，创建FIFO类似于创建文件：

#include<sys/stat.h>
int mkfifo(const char *path, mode_t mode);

int mkfifoat(int fd, const char *path, mode_t mode);    //成功返回0，失败返回-1

mkfifoat函数和mkfifo函数相似，但是mkfifoat函数可以被用来在fd文件描述符表示的目录相关的位置创建一个FIFO。

当我们用mkfifo或者mkfifoat创建FIFO时，都需要用open来打开它。

2、FIFO有两种用途

· shell命令使用FIFO将数据从一条管道传送到另一条管道时，无须创建中间的临时文件。
· 客户进程-服务器进程应用程序中，FIFO用作汇聚点，在客户进程和服务器进程二者之间传递数据。

3、FIFO应用实例

实例1 用FIFO复制输出流：
FIFO可以用于复制一系列shell命令中的输出流。这就防止了将数据写向中间磁盘文件。这类似于使用管道（|）来避免中间磁盘文件。

考虑这样一个过程，它需要对一个经过过滤的输入流进行两次处理。下图展示了这种安排：

使用FIFO和UNIX程序tee就可以实现这样的过程而无需使用临时文件（tee程序将其标准输入同时复制到标准输出以及其命令行中命名的文件）：

mkfifo fifo1
prog3 < fifo1 &
prog1 < infile | tee fifo1 | prog2

创建FIFO，在后台启动prog3，从FIFO中读取数据。然后启动prog1，用tee将其输出发送到FIFO和prog2：

实例2 使用FIFO进行客户进程-服务器进程通信：
如果有一个服务器进程，它与很多客户进程有关，每个客户进程都可以将其请求写到一个该服务器进程创建的“众所周知”的FIFO中（所有客户进程都知道该FIFO的路径名）。下图展示了这种安排：

这类问题在于服务器进程如何将回答送回各个客户进程。不能使用单个FIFO，因为客户进程不知道该何时去读属于它们自己的相应。

一种解决办法就是：每个客户进程都在其请求中包含自身的进程ID。然后服务器进程为每个客户进程创建一个FIFO，用于回应：

1.3 消息队列

1、消息队列是消息的链接表，存储在内核中，有消息队列标识符标识。

msgget用于创建一个新的消息队列或打开一个现有队列。msgsnd用于将新消息添加到队列尾端。msgrcv用于从队列中去消息。：

#include<sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int flag);  

int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t nbytes, int flag);  

ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t nbytes, long type, int flag);

我们并不一定以先进先出的顺序取消息，可以按照消息的类型字段取消息。

1.4 信号量

1、信号量与管道，FIFO以及消息队列不同。它是一个计数器，用于为多个进程提供共享数据对象的访问。

2、 为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：
1） 测试控制该资源的信号量；
2） 若此信号量的值为正，则进程可以使用该资源。在这种情况下，进程会将信号量值减1，表示它使用了一个资源单位；
3） 否则，若此信号量的值为0，则进程进入休眠状态，知道信号量的值大于0。进程被唤醒后，返回步骤1）。

当进程不在使用由一个信号量控制的共享资源时，该信号量值增1。如果有进程正在休眠等待此信号量，则唤醒它们。

3、 当我们想使用信号量时，首先通过函数semget来获取一个信号量ID：

#include<sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int flag);

semctl函数包含了多种信号量操作：

#include<sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg*/);  

semop函数自动执行信号量集合上的操作数组：

#include<sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf semoparray[], size_t nops);

1.5 共享存储

1、共享存储允许两个或多个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IPC。在多个进程同步访问一个给定存储区时，若服务器进程正在将数据放入存储区，则在它做完之前，客户进程不应该去取这些数据。

信号量用于同步共享存储访问。

2、shmget函数获得一个共享存储标识符：

#include<sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

shmctl函数对共享存储段执行多种操作：

#include<sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

一旦创建了一个共享存储段，进程就可以调用shmat函数将其连接到它的地址空间中：

#include<sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);

当对共享存储段的操作已经结束时，调用shmdt函数与该段分离，但这并不会删除标识符及其相关的数据结构。直至某个进程（一般是服务器进程）调用shmctl特地删除它为止：

#include<sys/shm.h>
int shmdt(const void *addr);

1.6 socket

关于socket通信以后会专门写一篇文章说明。

II、几种IPC方式优缺点比较

1、如果用户传递的信息较少，或者只是为了出发某些行为。信号是一种简洁有效的通信方式。但若是进程间要求传递的信息量较大或者存在数据交换的要求，就需要考虑别的通信方式了。

2、无名管道与有名管道的区别在于单向通信以及有关联的进程。

3、消息队列允许任意进程通过共享队列来进行进程间通信。并由系统调用函数来实现消息发送和接收之间的同步。从而使得用户在使用消息缓冲进行通信时不再需要考虑同步问题，使用相对方便。
但是消息队列中信息的复制需要耗费CPU时间，不适宜信息量大或频繁操作的场合。

4、消息队列与管道方式的区别在于，消息队列可以实现多对多，并需要在内存中实现，而管道可以在内存或磁盘上实现。

5、共享内存无须复制，信息量大是其最大的优势。但是需要考虑同步问题。

【参考】
[1] 《UNIX环境高级编程》

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