進程間通信IPC（一）（半雙工管道和消息隊列）

引言：
之前學習的進程之間交換信息的方法只能由fork或exec傳送打開文件，或者文件系統。但是這種通訊方式有局限性，接下來將說明進程之間相互通信的其他技術——IPC(InterProcessCommunication)，過去UNIX系統IPC是各種進程間通信方式的統稱，但是，其中極少能在所有UNIX系統中實現移植。隨著POSIX和Open Group（以前是X/Open）標準化的推進和影響擴大，情況隨已得到改善，但是差別仍然存在。以下將介紹幾種實現所支持的不同形式的IPC。

單機版進程間通信方式：

半雙工管道（包括無名管道和命名管道）
消息隊列
信號量
共享內存

多機版進程間通訊方式：

套接字（socket）
streams

管道（父進程創建）：

概念：
管道，通常指無名管道，是一種最基本的IPC機制，作用于有血緣關系的進程之間，完成數據傳遞。我們把從一個進程連接到另一個進程的一個數據流稱為一個“管道”，本質：內核緩沖區。

特點：

它是半雙工的（即數據只能在一個方向上流動），具有固定的讀端和寫端，當數據從管道中讀取后管道中就沒有了。
它只能用于具有親緣關系的進程之間的通信（也是父子進程或者兄弟進程之間）。
它可以看成是一種特殊的文件，對于它的讀寫也可以使用普通的read、write 等函數。但是它不是普通的文件，并不屬于其他任何文件系統，并且只存在于內存中。本質：內核緩沖區.

在這里插入圖片描述
如何建立半雙工管道：

管道是由調用pipe函數來創建

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);函數的參數是：含有兩個元素的整型數組
返回值：返回:成功返回0，出錯返回-1 
fd參數返回兩個文件描述符,fd[0]指向管道的讀端read(fd[0],-,-)
其中read()函數如果讀不到東西，會阻塞。
fd[1]指向管道的寫端,write(fd[1],-,-)。向管道文件讀寫數據其實
是在讀寫內核緩沖區。要關閉管道只需要將讀端和寫端close掉即可。fd[1]的寫出是fd[0]的讀入。0對應標準輸入，1對應標準輸出一樣。
默認標準輸入對應的設備是鍵盤，標準輸出和標準錯誤對應的是顯示器
linux下一起皆文件，設備一定是文件，文件不一定是設備，標準輸入
和標準輸出就不是文件，他們是鏈接文件，什么是鏈接文件？文件內容
是另一個文件的地址的文件稱為鏈接文件。

標準輸入、標準輸出解釋

父進程給子進程信息：

#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int fd[2];int status;pid_t fpid;char* writebuf=NULL;writebuf=(char*)malloc(1024);printf("請輸入父進程要傳遞給子進程的消息:\n");scanf("%[^\n]",writebuf);if(pipe(fd)==-1){printf("creat file fail\n");}fpid=fork();if(fpid<0){printf("創建子進程失敗\n");perror("fork");}else if(fpid>0){close(fd[0]);write(fd[1],writebuf,strlen(writebuf));waitpid(fpid,&status,0);if(WIFEXITED(status)){printf("子進程正常結束,狀態值是:%d\n",WEXITSTATUS(status));}close(fd[1]);}else{close(fd[1]);char* readbuf=NULL;int n_read;readbuf=(char*)malloc(strlen(writebuf));n_read=read(fd[0],readbuf,strlen(writebuf));printf("子進程得到數據:%s,字節數是:%d\n",readbuf,n_read);close(fd[0]);}return 0;
}這個程序：起初當輸入字符串中間有空格時，子進程只會收到空格之前的字符串
問題診斷：scanf()遇到空格、回車、Tab則認為輸入結束，后面的就不會當做輸入了
解決方法：%s換為%[^\n](^有非的意思，即不遇到\n不停止)或者用gets()scanf輸入字符串的時候不會接收Space空格，回車Enter，Tab鍵，則認為輸入結束。
scanf函數直接從輸入緩沖區中取數據，而并非從鍵盤(也就是終端)緩沖區讀取。1、空格：空格鍵產生的字符，ascii碼十進制：32
2、空字符：字符串結束標志‘\0’，為被動添加，ascii碼十進制：0
3、字符0：ascii碼十進制：48

子進程發送消息給父進程：

#include <unistd.h>
#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int fd[2];int status;pid_t fpid;char* writebuf=NULL;writebuf=(char*)malloc(1024);printf("請輸入父進程要傳遞給子進程的消息:\n");scanf("%[^\n]",writebuf);if(pipe(fd)==-1){printf("creat file fail\n");}fpid=fork();if(fpid<0){printf("創建子進程失敗\n");perror("fork");}else if(fpid>0){sleep(1);close(fd[1]);char* readbuf=NULL;int n_read;readbuf=(char*)malloc(strlen(writebuf));n_read=read(fd[0],readbuf,strlen(writebuf));waitpid(fpid,&status,0);printf("父進程得到數據:%s,字節數是:%d\n",readbuf,n_read);if(WIFEXITED(status)){printf("子進程正常結束,狀態值是:%d\n",WEXITSTATUS(status));}}else{close(fd[0]);write(fd[1],writebuf,strlen(writebuf));}return 0;
}

memcpy()函數介紹、scanf輸入字符串遇到空格？

FIEO（有名管道，半雙工）：

無名管道，由于沒有名字，只能用于親緣關系的進程間通信。為了克服這個缺點，提出了命名管道(FIFO)，也叫有名管道、FIFO 文件。命名管道（FIFO）不同于無名管道之處在于它提供了一個路徑名與之關聯，以 FIFO 的文件形式存在于文件系統中，這樣，即使與 FIFO 的創建進程不存在親緣關系的進程，只要可以訪問該路徑，就能夠彼此通過 FIFO 相互通信，因此，通過 FIFO 不相關的進程也能交換數據。

命名管道（FIFO)和無名管道（pipe）有一些特點是相同的，不一樣的地方在于:

FIFO 在文件系統中作為一個特殊的文件而存在，但 FIFO 中的內容卻存放在內存中，FIFO文件在磁盤上沒有數據塊，僅僅用來標識內核中一條通道。各進程可以打開這個文件進行read/write，實際上是在讀寫內核通道，這樣就實現了進程間通信。
當使用 FIFO 的進程退出后，FIFO 文件將繼續保存在文件系統中以便以后使用。
FIFO 有名字，不相關的進程可以通過打開命名管道進行通信。
另外，使用統一fifo文件，可以有多個讀端和多個寫端。

創建有名管道：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);pathname: 普通的路徑名（就是創建的管道的位置），也就是創建后 FIFO 的名字。
mode: 文件的權限，與打開普通文件的 open() 函數中的 mode 參數相同返回值：成功：0失敗：如果文件已經存在，則會出錯且返回 -1。如果因為文件存在引起的錯誤，則會返回-1并將errno的值賦EEXIST可以用下面的代碼找出其他的出錯原因
if(mkfifo("./fifodir",0666)==-1&&errno!=EEXIST){printf("管道創建失敗\n");perror("because");
}

注意：
當進程對命名管道的使用結束后，命名管道依然存在于文件系統中，除非對其進行刪除操作。命名管道的數據讀取后也會消失（不能反復讀取），即且嚴格遵循先進先出的規則。因此，每次命名管道文件使用完后，其大小為0字節，不會產生中間臨時文件。

命名管道的默認操作：

后期的操作，把這個命名管道當做普通文件一樣進行操作：open()、write()、read()、close()。但是，和無名管道一樣，操作命名管道肯定要考慮默認情況下其阻塞特性。
下面驗證的是默認情況下的特點，即 open() 的時候沒有指定非阻塞標志( O_NONBLOCK )。open() 以只讀方式打開FIFO 時，要阻塞到某個進程為寫而打開此 FIFO。open() 以只寫方式打開 FIFO 時，要阻塞到某個進程為讀而打開此 FIFO。
簡單一句話，只讀等著只寫，只寫等著只讀，只有兩個都執行到，才會往下執行。
在這里我們需要注意一點，就是不能以 O_RDWR 方式打開管道文件，這種行為是未定義的。倘若有一個進程以讀寫方式打開了某個管道，那么該進程寫入的數據又會被該進程本身讀取，而管道一般只用于進程間的單向數據通信。

管道打開方式：

（1）只讀且阻塞方式
open(const char *pathname, O_RDONLY);
（2）只讀且非阻塞方式
open(const char *pathname, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
（3）只寫且阻塞方式
open(const char *pathname, O_WRONLY);
（4）只寫且非阻塞方式
open(const char *pathname, O_WRONLY | O_NONBLOCK);

讀端代碼：

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{char readbuf[30];int n_read;int fd;memset(readbuf,'\0',30);if(mkfifo("./fifodir",0600)==-1&&errno!=EEXIST){printf("mkfifo fail\n");perror("mkfifo");}fd=open("./fifodir",O_RDONLY);while(1){n_read=read(fd,readbuf,30);printf("讀取到%d個字節,內容是%s\n",(int)strlen(readbuf),readbuf);}close(fd);return 0;
}

寫端代碼：

include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include<errno.h>int main()
{int fd;fd=open("./fifodir",O_WRONLY);while(1){write(fd,"hello reader",20);sleep(1);}close(fd);return 0;
}

消息隊列、消息隊列參數詳解

什么是消息隊列？

消息隊列是消息的鏈表，存放在內核中并由消息隊列標識符表示。
消息隊列提供了一個從一個進程向另一個進程發送數據塊的方法，每個數據塊都可以被認為是有一個類型，接受者接受的數據塊可以有不同的類型。
但是同管道類似，它有一個不足就是每個消息的最大長度是有上限的(MSGMAX)，每個消息隊列的總的字節數(MSGMNB)，系統上消息隊列的總數上限(MSGMNI)。可以用cat /proc/sys/kernel/msgmax查看具體的數據。

特點：

消息隊列是面向記錄的，其中的消息具有特定的格式以及優先級
消息隊列獨立于發送與接收進程，進程終止時，消息隊列及其內容并不會被刪除（生命周期隨內核，消息隊列會一直存在，需要我們顯示的調用接口刪除或使用命令刪除）。
消息隊列可以實現消息的隨機查詢，消息不一定要以先進先出的次序讀取，也可以按消息的類型讀取。
克服了管道只能承載無格式字節流的缺點
消息隊列可以雙向通信

對于消息隊列，要知道如何創建一個消息隊列，如何將消息添加到消息隊列，如何從消息隊列讀取信息

ftok（）函數：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);fname就是你指定的文件名（已經存在的文件名），一般使用當前目錄，如：
key_t key;
key = ftok(".", 1); 這樣就是將fname設為當前目錄。
id是子序號。雖然是int類型，但是只使用8bits(1-255）。
在一般的UNIX實現中，是將文件的索引節點號取出，前面加上子序號得到key_t的返回值。
如指定文件的索引節點號為65538，換算成16進制為0x010002，而你指定的ID值為38，換算成16進制為0x26，則最后的key_t返回值為0x26010002。
當刪除重建文件后，索引節點號由操作系統根據當時文件系統的使用情況分配，因此與原來不同，所以得到的索引節點號也不同。調用成功返回一個key值，用于創建消息隊列，如果失敗，返回-1鍵值和消息隊列標識符的關系：
在創建一個消息隊列（其他ipc相同）時，需要先通過文件路徑名和項目ID獲取一個鍵值，
然后通過此
鍵值由內核生成標識符，在以后可通過此標識符來使用此消息隊列。

查詢文件索引節點號的方法是：

ls  -i
ls -al//顯示所有文件的所以值，包括隱藏文件
執行結果：
fhn@ubuntu:~/jincheng/communication$ ls -i
932272 fifo     932283 msgread    932262 msgsend.c     932274 read    932250 write.c
932256 fifo.c   932263 msgread.c  932265 nomamepipe    932279 read.c  932267 znomamepipe
932229 fifodir  932280 msgsend    932236 nomamepipe.c  932275 write   932248 znomamepipe.c

msgget函數：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflag);功能：創建和訪問一個消息隊列 
key：某個消息隊列的名字，用ftok()產生
msgflag：有兩個選項IPC_CREAT和IPC_EXCL，單獨使用IPC_CREAT，如果消息隊列不存在則創建之，
如果存在則打開返回；單獨使用IPC_EXCL是沒有意義的；兩個同時使用，如果消息隊列不存在則創建之，
如果存在則出錯返回。如果將key值設為IPC_PRIVATE則創建私有的消息隊列，只能有一個進程訪問。
msgflag由九個權限標志構成,如0644,它們的用法和創建文件時使用的mode模式標志是一樣的(但是消息隊列沒有x(執行)權限)返回值：成功返回一個非負整數，即消息隊列的標識碼，失敗返回-1

為什么要有鍵值和標識符兩個值呢？
標識符是對于用戶操作而言的，讓用戶感覺操作和對文件的操作相同，鍵是對于系統內部說的。
我們使用ftok來創建鍵值，具體你可以man一下fotk函數，大概是這樣的：按給定的路徑名取得其stat結構，從該結構中取出部分st_dev和st_ino字段，然后再與項目id組合起來，如果兩個路徑名引用兩個不同的文件，那么，對這兩個路徑名調用ftok通常返回不同的鍵，但是，因為i節點號和鍵通常都存放在長整型中，于是創建鍵時可能會丟失信息，這意味著，如果使用同一項目id，那么對于不同文件的兩個路徑名可能產生相同的鍵。而標識符是唯一確定的，可以用來區別于其他ipc的。

msgsnd（）函數：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);功能：把一條消息添加到消息隊列中
參數：
msgid：由msgget函數返回的消息隊列標識碼
msgp：指針指向準備發送的消息
msgze：msgp指向的消息的長度（不包括消息類型的long int長整型）
msgflg：默認為0
返回值：成功返回0，失敗返回-1消息結構一方面必須小于系統規定的上限，另一方面必須以一個long int長整型開始，接受者以此來確定消息的類型struct msgbuf {long mtype;       /* message type, must be > 0 */char mtext[1];    /* message data */};消息隊列內一個節點類型如下：
struct msq_Node    
{    Type msq_type;  //類型    Length msg_len; //長度    Data msg_data;  //數據    struct msg_Node *next;    
};

msgrcv（）函數：

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
msgid：由msgget函數返回的消息隊列標識碼
msgp：指針指向準備接收的消息
msgze：msgp指向的要存消息內存的長度（不包括消息類型的long int長整型）
msgtyp:msgtyp==0返回隊列中第一個消息msgtyp>0返回隊列中消息類型為msgtyp的第一個消息msgtyp<0返回隊列中消息類型小于或等于msgtyp絕對值的消息，如果有多個，則取類型值最小的消息。
可以看出msgtyp值非0時用以非先進先出次序讀消息，也可以把msgtyp看做優先級的權值。
msgflg：默認為0，阻塞式接收消息，沒有該類型的消息msgrcv函數一直阻塞等待
功能：是從一個消息隊列接受消息
返回值：成功返回實際放到接收緩沖區里去的字符個數，失敗返回-1

msgctl（）函數：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);功能：消息隊列的控制函數 第一個參數msgqid 是消息隊列對象的標識符。
第二個參數是函數要對消息隊列進行的操作，它可以是：
IPC_STAT：取出系統保存的消息隊列的msqid_ds 數據，并將其存入參數buf 指向的msqid_ds 結構中。
IPC_SET：設定消息隊列的msqid_ds 數據中的msg_perm 成員。設定的值由buf 指向的msqid_ds結構給出。
IPC_RMID：將隊列從系統內核中刪除,此時第三個參數設為NULL。
這三個命令的功能都是明顯的，所以就不多解釋了。唯一需要強調的是在IPC_STAT命令中隊列的msqid_ds 數據中唯一能被設定的只msg_perm 成員，其是ipc_perm 類型的數據。而ipc_perm 中能被修改的只有mode,pid 和uid 成員。其他的都是只能由系統來設定的。成功返回0，失敗返回-1

消息隊列需要手動刪除IPC資源

linux下消息隊列的查看與刪除（ipcs&ipcrm的使用）

消息隊列接收端：

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include<string.h>
typedef struct msgbuf
{long mtye;char mtext[128];
}MSG,*PMSG;
int main()
{key_t key;int msgid;MSG readbuf;MSG sendbuf;sendbuf.mtye=666;strcpy(sendbuf.mtext,"hello sender,i have receive your msg");key=ftok(".",30);msgid=msgget(key,IPC_CREAT|0600);//flage使用IPC_CREAT表示若消息隊列不存在則創建存在則打開后返回//0600是在沒有消息隊列時創建消息隊列的權限，和文件那里那個權限一樣if(msgid==-1){printf("make fail\n");perror("why");}memset(readbuf.mtext,'\0',128);msgrcv(msgid,&readbuf,sizeof(readbuf.mtext),777,0);printf("msgrcv得到消息:%s\n",readbuf.mtext);msgsnd(msgid,&sendbuf,strlen(sendbuf.mtext),0);return 0;
}

消息隊列發送端：

#include<stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include<string.h>
typedef struct msgbuf
{long mtye;char mtext[128];
}MSG,*PMSG;
int main()
{key_t key;int msgid;MSG sendbuf;MSG readbuf;sendbuf.mtye=777;strcpy(sendbuf.mtext,"hello i am sender");key=ftok(".",30);msgid=msgget(key,IPC_CREAT|0600);//flage使用IPC_CREAT表示若消息隊列不存在則創建存在則打開后返回//0600是在沒有消息隊列時創建消息隊列的權限，和文件那里那個權限一樣if(msgid==-1){printf("make fail\n");perror("why");}msgsnd(msgid,&sendbuf,strlen(sendbuf.mtext),0);printf("msgsnd發送消息完成:%s\n",sendbuf.mtext);msgrcv(msgid,&readbuf,sizeof(readbuf.mtext),666,0);printf("msgsnd讀到消息:%s\n",readbuf.mtext);msgctl(msgid,IPC_RMID,NULL);//等同于在命令行刪除return 0;
}