C++進程間通信

一、管道

1、管道概述

管道是一種基於內存的進程間通信方法，分為無名管道和有名管道。無名管道只能用於父子進程間通信，有名管道可用於任意進程間通信。

無名管道（匿名管道）實際上是一塊內存緩衝區，嚴格遵循先進先出的原則。其中一個進程把數據寫入緩衝區，另一個進程從緩衝區取出數據，讀取和寫入時分別用到管道的讀端和寫端。父進程調用fork之後，子進程的管道描述符和父進程完全獨立。如果父進程調用了close，子進程並不會受到影響。另外，管道只能用於單向通信。

有名管道（FIFO）也是一種基於內存的進程通信方式，相對於無名管道可以用於任意進程間通信。有名管道存在於文件系統中，因此允許無親緣關係進程間通信。

2、使用管道進行進程間通信

#include 
#include 
#include 

#define MSGSIZE 16

int main()
{
    char* msg = "Hello, world!";
    char inbuf[MSGSIZE];
    int p[2], pid;

    if (pipe(p)  0) {
        close(p[0]);
        write(p[1], msg, MSGSIZE);
        close(p[1]);
    } else if (pid == 0) {
        close(p[1]);
        read(p[0], inbuf, MSGSIZE);
        printf("%s\n", inbuf);
        close(p[0]);
    } else {
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
        exit(2);
    }

    return 0;
}

二、消息隊列

1、消息隊列概述

消息隊列是一種進程間通信的方式，進程可以通過消息隊列來傳遞數據。消息隊列在內核中維護，提供收發的緩存區，它是一種比較可靠的IPC機制。其中，每個消息都有一個類型屬性，接收進程可以選擇接收指定類型的消息。

2、使用消息隊列進行進程間通信

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define MSGSZ 128

struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[MSGSZ];
};

int main()
{
    int msqid;
    key_t key;
    struct msgbuf sndbuf, rcvbuf;

    if ((key = ftok(".", 'A')) == -1) {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }

    if ((msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("msgget");
        exit(1);
    }

    sndbuf.mtype = 1;
    sprintf(sndbuf.mtext, "hello, world!");
    if (msgsnd(msqid, &sndbuf, MSGSZ, IPC_NOWAIT) == -1) {
        perror("msgsnd");
        exit(1);
    }

    if (msgrcv(msqid, &rcvbuf, MSGSZ, 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv");
        exit(1);
    }
    printf("receive: %s\n", rcvbuf.mtext);

    if (msgctl(msqid, IPC_RMID, 0) == -1) {
        perror("msgctl");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

三、信號量

1、信號量概述

信號量是一種進程間通信的方式，它用來保持多個進程之間同步或互斥。其中，信號量的值用來表示可用資源的個數，進程可以通過執行P操作（申請資源）和V操作（釋放資源）來更改信號量的值。當信號量的值為0時，執行P操作的進程會進入阻塞狀態。

2、使用信號量進行進程間通信

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SEM_NUM 1

int main()
{
    key_t key;
    int semid, shmid;
    char *shmaddr;
    struct sembuf sembuf;

    if ((key = ftok(".", 'A')) == -1) {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }

    if ((semid = semget(key, SEM_NUM, IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("semget");
        exit(1);
    }

    if ((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    if ((shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

    sembuf.sem_num = 0;
    sembuf.sem_op = 1;
    sembuf.sem_flg = SEM_UNDO;
    semctl(semid, 0, SETVAL, 1);

    if (fork() == 0) {
        sembuf.sem_op = -1;
        semop(semid, &sembuf, 1);
        printf("child process write\n");
        sprintf(shmaddr, "hello, world!");
        sembuf.sem_op = 1;
        semop(semid, &sembuf, 1);
        exit(0);
    } else {
        sembuf.sem_op = -1;
        semop(semid, &sembuf, 1);
        printf("parent process read: %s\n", shmaddr);
        sembuf.sem_op = 1;
        semop(semid, &sembuf, 1);
    }

    return 0;
}

四、共享內存

1、共享內存概述

共享內存是一種高效的進程間通信方式，它通過將內存緩衝區映射到多個進程的虛擬地址空間，讓多個進程之間共享數據。共享內存通常需要配合其他進程同步機制，如信號量一起使用。但存在一個問題，即多個進程共享內存容易引發數據一致性問題。

2、使用共享內存進行進程間通信

#include 
#include 
#include 
#include 

int main()
{
    int shmid, pid;
    char *shmaddr;

    if ((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | 0666)) == -1) {
        perror("shmid");
        exit(1);
    }

    if ((shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

    if ((pid = fork()) == 0) {
        printf("child process write\n");
        strcpy(shmaddr, "hello, world!");
        exit(0);
    } else if (pid > 0) {
        wait(NULL);
        printf("parent process read: %s\n", shmaddr);
    } else {
        perror("fork");
        exit(1);
    }

    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("shmctl");
        exit(1);
    }

    return 0;
}