进程间通信（IPC）机制总结

进程间通信（IPC）机制总结

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/suifengme/article/details/140752297

进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）是操作系统中一种使不同进程能够交换数据和同步执行的重要机制。本文系统地总结了10种常见的IPC方式，包括管道、消息队列、信号、信号量、共享内存、套接字等，并对每种机制的说明、作用、适用场景及相关的API进行了详细的阐述。

管道（Pipes）

说明

• 匿名管道：只允许有亲缘关系的进程（通常是父进程与子进程）之间进行通信，是一个半双工的通信方式。
• 命名管道 (FIFO)：可以在不相关的进程之间使用，支持双向通信。

作用

• 用于简单的数据传递，如从一个进程向另一个进程传递数据流。

适用场景

• 当进程间只需要简单地传递少量数据时，使用管道非常有效。
• 命名管道可以在没有亲缘关系的进程之间进行通信，适合于构建复杂的管道链。

API

• pipe(int pipefd[2])：创建一个匿名管道。
• mkfifo(const char *pathname, mode_t mode)：创建一个命名管道。
• open(const char *pathname, int flags)：打开一个命名管道。
• write(int fd, const void *buf, size_t count)：向管道写入数据。
• read(int fd, void *buf, size_t count)：从管道读取数据。
• unlink(const char *pathname)：删除命名管道。

消息队列（Message Queues）

说明

• 消息队列是在内核中维护的一个消息缓冲区，允许一个进程向另一个进程发送消息。
• 每条消息都有一个类型，可以按照类型来接收消息。

作用

• 提供了一种更为灵活的消息传递机制，支持消息的优先级和类型。

适用场景

• 当需要在进程间传递结构化的数据，且数据量不大时。
• 在多进程环境中需要按顺序或基于类型处理消息的情况。

API

• msgget(key_t key, int flag)：创建或获取一个消息队列。
• msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)：发送一条消息到消息队列。
• msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg)：从消息队列接收一条消息。
• msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf)：控制消息队列的操作，如删除队列。

信号（Signals）

说明

• 信号是一种轻量级的进程间通信机制，用于通知接收进程发生了特定的事件。
• 信号可以由软件或硬件触发。

作用

• 用于进程之间的简单同步和异常处理。

适用场景

• 当需要通知进程处理某种特定事件（如中断、异常终止）时。
• 在需要处理进程异常退出或其他异常情况的情况下。

API

• signal(int signum, sighandler_t handler)：设置信号处理函数。
• kill(pid_t pid, int sig)：发送信号给指定进程。
• raise(int sig)：发送信号给当前进程。

信号量（Semaphores）

说明

• 信号量用于控制多个进程对共享资源的访问，防止资源的竞争条件。
• 信号量分为二进制信号量和计数信号量。

作用

• 用于进程间的同步，确保资源的安全访问。

适用场景

• 当多个进程需要访问相同的资源时，为了保证数据的一致性，使用信号量进行互斥访问。
• 在需要限制资源使用数量的情况下。

API

• semget(key_t key, int nsems, int semflg)：获取或创建一个信号量集。
• semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops)：对信号量执行操作（增加/减少）。
• semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...)：控制信号量的操作，如删除信号量。

共享内存（Shared Memory）

说明

• 共享内存是多个进程可以直接访问的同一段内存区域，是IPC中最高效的机制之一。
• 需要结合其他机制（如信号量）来同步访问以避免竞争条件。

作用

• 用于高效的数据交换，特别适合大量数据的传递。

适用场景

• 当需要在进程间快速传递大量数据时。
• 在需要高性能数据交换的应用场景中。

API

• shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)：获取或创建一个共享内存段。
• shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)：将共享内存段附加到进程地址空间。
• shmdt(const void *shmaddr)：将共享内存段从进程地址空间分离。
• shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)：控制共享内存段的操作，如删除。

套接字（Sockets）

说明

• 套接字最初设计用于网络通信，但也可以用于本地进程间的通信。
• 支持多种协议，包括流式套接字（面向连接）和数据报套接字（无连接）。

作用

• 用于进程间的网络通信或本地通信。

适用场景

• 当进程间需要通过网络通信时。
• 当需要构建复杂的服务端/客户端架构时。

API

• socket(int domain, int type, int protocol)：创建一个套接字。
• bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)：绑定套接字到特定地址。
• listen(int sockfd, int backlog)：监听套接字。
• accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen)：接收客户端连接请求。
• connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)：连接到服务器。
• send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags)：发送数据。
• recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags)：接收数据。
• shutdown(int sockfd, int how)：关闭套接字的一个方向。

套接字激活（Socket Activation）

说明

• 套接字激活是由系统服务管理器（如systemd）完成的一种机制，不需要应用程序直接调用特定函数，而是通过配置文件来设置。

作用

• 用于自动分配已监听的套接字给服务进程，简化服务器程序的开发。

适用场景

• 当需要简化服务端程序的启动过程时。
• 在系统初始化过程中自动配置服务端口。

API

• 不需要直接调用API，而是通过配置文件和systemd等服务管理器进行配置。

内存映射文件（Memory-Mapped Files）

说明

• 进程将磁盘上的文件映射到内存中，所有对该内存区域的操作都会写入文件，实现进程间的数据交换。

作用

• 提供了一种简单的方式来进行进程间的数据共享。

适用场景

• 当需要在进程间共享大量数据时，或者需要将文件内容作为内存使用时。

API

• mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)：映射文件到内存。
• munmap(void *addr, size_t length)：取消映射。

进程间共享对象（Inter-Process Shared Objects）

说明

• 包括共享内存区域、文件锁等，提供了一种简单的方式来进行进程间的数据共享。

作用

• 用于进程间的简单数据共享和同步。

适用场景

• 当需要在进程间共享少量数据时。

API

• 通常涉及到共享内存和文件锁等机制的API。

进程间锁（Inter-Process Locks）

说明

• 如flock()和fcntl()函数，用于确保多个进程不会同时修改同一文件。

作用

• 用于进程间的同步，确保数据的一致性。

适用场景

• 当多个进程需要访问同一个文件时，为了保证数据的一致性，使用进程间锁进行互斥访问。

API

• flock(int fd, int operation)：对打开的文件进行锁定。
• fcntl(int fd, int cmd, ...)：文件控制命令，可以用来加锁解锁。

以上函数均基于POSIX标准，适用于类Unix系统（如Linux、macOS）。不同系统可能会有所差异，例如Windows平台会使用不同的API来实现这些功能。在选择IPC机制时，应根据实际应用场景的需求和环境来决定最合适的方案。