跨进程通信技巧详解：轻松实现不同进程间的数据交互

跨进程通信（Inter-Process Communication，IPC）是操作系统中一个非常重要的概念，它允许不同进程之间进行数据交换和同步。在现代计算机系统中，由于进程的独立性和并发性，实现有效的跨进程通信变得尤为重要。本文将详细介绍几种常见的跨进程通信技巧，帮助您轻松实现不同进程间的数据交互。

1. 管道（Pipe）

管道是一种简单的IPC机制，它允许一个进程向另一个进程发送数据。管道分为无名管道和命名管道两种类型。

1.1 无名管道

无名管道通常用于具有亲缘关系的进程间通信，如父子进程。它只能在创建它的两个进程之间进行通信。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        write(pipefd[1], "Hello, parent!", 17); // 向父进程发送数据
        close(pipefd[1]); // 关闭写端
    } else {
        // 父进程
        close(pipefd[1]); // 关闭写端
        char buffer[100];
        read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer)); // 从子进程读取数据
        printf("%s\n", buffer);
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
    }

    return 0;
}

1.2 命名管道

命名管道是一种持久的IPC机制，它可以跨不同进程和不同用户进行通信。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    int pipefd = mkfifo("mypipe", 0666);
    if (pipefd == -1) {
        perror("mkfifo");
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        close(pipefd); // 关闭文件描述符
        int newfd = open("mypipe", O_WRONLY);
        if (newfd == -1) {
            perror("open");
            return 1;
        }
        write(newfd, "Hello, parent!", 17); // 向父进程发送数据
        close(newfd); // 关闭文件描述符
    } else {
        // 父进程
        int newfd = open("mypipe", O_RDONLY);
        if (newfd == -1) {
            perror("open");
            return 1;
        }
        char buffer[100];
        read(newfd, buffer, sizeof(buffer)); // 从子进程读取数据
        printf("%s\n", buffer);
        close(newfd); // 关闭文件描述符
    }

    return 0;
}

2. 套接字（Socket）

套接字是一种更通用的IPC机制，它允许不同主机上的进程进行通信。套接字分为流套接字和数据报套接字。

2.1 流套接字

流套接字提供面向连接的、可靠的数据传输服务。以下是使用流套接字进行IPC的示例：

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

int main() {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

    // 创建服务器套接字
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }

    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(8080);

    // 绑定服务器地址
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        return 1;
    }

    // 监听连接
    listen(server_fd, 5);

    // 接受连接
    client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
    if (client_fd == -1) {
        perror("accept");
        return 1;
    }

    // 通信
    char buffer[100];
    while (1) {
        read(client_fd, buffer, sizeof(buffer));
        printf("Received: %s\n", buffer);
        write(client_fd, "Hello, client!", 17);
    }

    // 关闭套接字
    close(client_fd);
    close(server_fd);

    return 0;
}

2.2 数据报套接字

数据报套接字提供无连接的、不可靠的数据传输服务。以下是使用数据报套接字进行IPC的示例：

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

int main() {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
    socklen_t client_addr_len = sizeof(client_addr);

    // 创建服务器套接字
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        perror("socket");
        return 1;
    }

    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    server_addr.sin_port = htons(8080);

    // 绑定服务器地址
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        return 1;
    }

    // 通信
    char buffer[100];
    while (1) {
        recvfrom(server_fd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_addr_len);
        printf("Received: %s\n", buffer);
        sendto(server_fd, "Hello, client!", 17, 0, (struct sockaddr *)&client_addr, client_addr_len);
    }

    // 关闭套接字
    close(server_fd);

    return 0;
}

3. 信号量（Semaphore）

信号量是一种用于进程同步的IPC机制。它允许多个进程对共享资源进行互斥访问。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>

union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

int main() {
    int semid, semnum = 0;
    struct sembuf sem_op;

    // 创建信号量集
    semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);
    if (semid == -1) {
        perror("semget");
        return 1;
    }

    // 初始化信号量
    union semun arg;
    arg.val = 1;
    if (semctl(semid, semnum, SETVAL, arg) == -1) {
        perror("semctl");
        return 1;
    }

    // 通信
    while (1) {
        sem_op.sem_num = semnum;
        sem_op.sem_op = -1; // P操作
        sem_op.sem_flg = 0;
        if (semop(semid, &sem_op, 1) == -1) {
            perror("semop");
            return 1;
        }

        printf("Process %d is running\n", getpid());
        sleep(1);

        sem_op.sem_op = 1; // V操作
        if (semop(semid, &sem_op, 1) == -1) {
            perror("semop");
            return 1;
        }
    }

    // 删除信号量集
    if (semctl(semid, semnum, IPC_RMID, arg) == -1) {
        perror("semctl");
        return 1;
    }

    return 0;
}

4. 共享内存（Shared Memory）

共享内存是一种高性能的IPC机制，它允许多个进程共享一块内存区域。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    int shm_fd;
    char *shared_memory;

    // 打开共享内存对象
    shm_fd = shm_open("/my_shared_memory", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (shm_fd == -1) {
        perror("shm_open");
        return 1;
    }

    // 设置共享内存大小
    ftruncate(shm_fd, sizeof(char) * 100);

    // 映射共享内存
    shared_memory = mmap(NULL, sizeof(char) * 100, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
    if (shared_memory == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }

    // 通信
    while (1) {
        printf("Process %d: %s\n", getpid(), shared_memory);
        sleep(1);

        // 更新共享内存内容
        strcpy(shared_memory, "Hello, shared memory!");
    }

    // 解除映射
    munmap(shared_memory, sizeof(char) * 100);

    // 删除共享内存对象
    shm_unlink("/my_shared_memory");

    return 0;
}

总结

本文介绍了四种常见的跨进程通信技巧：管道、套接字、信号量和共享内存。这些技巧在不同的场景下有着广泛的应用。通过学习和掌握这些技巧，您可以轻松实现不同进程间的数据交互。

正文

跨进程通信技巧详解：轻松实现不同进程间的数据交互

1. 管道（Pipe）

1.1 无名管道

1.2 命名管道

2. 套接字（Socket）

2.1 流套接字

2.2 数据报套接字

3. 信号量（Semaphore）

4. 共享内存（Shared Memory）

总结

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