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揭秘C语言进程间通信：实战技巧与框架选择全解析

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在计算机科学中，进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是确保不同进程之间能够相互发送和接收信息的关键技术。C语言作为一种底层编程语言，在实现进程间通信时提供了多种机制。本文将深入探讨C语言中进程间通信的实战技巧和常用框架选择。

一、进程间通信的基本概念

进程间通信指的是不同进程之间进行数据交换和协同工作的方式。在C语言中，进程间通信可以通过多种方式进行，包括管道（Pipes）、消息队列（Message Queues）、信号量（Semaphores）、共享内存（Shared Memory）和套接字（Sockets）等。

二、管道（Pipes）

管道是进程间通信中最简单也是最常用的方式之一。它允许一个进程向另一个进程发送数据流。在C语言中，可以使用pipe()函数创建管道。

#include <unistd.h>

int main() {
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        // 处理错误
    }

    // 父进程
    if (fork() == 0) {
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        write(pipefd[1], "Hello, child!", 14);
        close(pipefd[1]);
        exit(0);
    }

    // 子进程
    close(pipefd[1]); // 关闭写端
    char buffer[100];
    read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer) - 1);
    printf("Parent: %s\n", buffer);
    close(pipefd[0]);

    return 0;
}

三、消息队列（Message Queues）

消息队列允许进程以消息的形式进行通信。每个消息都包含一个类型和一个数据部分。在C语言中，可以使用msgget()、msgsend()和msgrcv()等函数进行消息队列的操作。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

struct message {
    long msg_type;
    char msg_text[100];
};

int main() {
    key_t key = ftok("queuefile", 65);
    int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);

    struct message msg;
    msg.msg_type = 1;
    strcpy(msg.msg_text, "Hello, queue!");

    msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg.msg_text), 0);

    // 接收消息
    struct message received_msg;
    msgrcv(msgid, &received_msg, sizeof(received_msg.msg_text), 1, 0);
    printf("Received: %s\n", received_msg.msg_text);

    return 0;
}

四、信号量（Semaphores）

信号量是一种用于多进程同步的机制。在C语言中，可以使用sem_open()、sem_wait()和sem_post()等函数进行信号量的操作。

#include <semaphore.h>

int main() {
    sem_t *sem = sem_open("/mysem", O_CREAT, 0644, 1);

    sem_wait(sem);
    // 临界区代码
    sem_post(sem);

    sem_close(sem);
    return 0;
}

五、共享内存（Shared Memory）

共享内存允许多个进程访问同一块内存区域。在C语言中，可以使用shm_open()、mmap()和munmap()等函数进行共享内存的操作。

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

int main() {
    int shm_fd = shm_open("/mysharedmemory", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    ftruncate(shm_fd, sizeof(int));
    int *shared_memory = mmap(0, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

    *shared_memory = 42;

    // 读取共享内存
    printf("Shared memory value: %d\n", *shared_memory);

    munmap(shared_memory, sizeof(int));
    close(shm_fd);
    return 0;
}

六、套接字（Sockets）

套接字是网络通信的基础。在C语言中，可以使用socket()、bind()、listen()、accept()和send()/recv()等函数进行套接字通信。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int server_fd, new_socket;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);

    // 创建socket文件描述符
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 强制绑定到端口8080
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR | SO_REUSEPORT, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    // 绑定socket到端口
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address))<0) {
        perror("bind failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 监听socket
    if (listen(server_fd, 3) < 0) {
        perror("listen");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 接受客户端连接
    if ((new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen))<0) {
        perror("accept");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取客户端数据
    char buffer[1024] = {0};
    read(new_socket, buffer, 1024);
    printf("%s\n", buffer);

    // 关闭socket
    close(new_socket);
    close(server_fd);
    return 0;
}

七、总结

进程间通信是确保程序模块之间能够协同工作的关键。在C语言中，有多种机制可以实现进程间通信，包括管道、消息队列、信号量、共享内存和套接字等。选择合适的通信机制取决于具体的应用场景和需求。通过本文的介绍，相信你已经对C语言进程间通信有了更深入的了解。

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