学懂C++（三十六）：深入理解与实现C++进程间通信（IPC）
目录
一、概念与原理
二、IPC的核心点
三、进程间通信及经典实例详解
1、管道（Pipes）
概念与原理
核心点
实现实例
2、消息队列（Message Queues）
概念与原理
核心点
实现实例
概念与原理
核心点
实现实例
4、信号（Signals）
概念与原理
核心点
实现实例
5、套接字（Sockets）
概念与原理
核心点
实现实例
四、总结
一、概念与原理
进程间通信（IPC）的概念： IPC是指在同一主机的不同进程之间传递数据和信号的机制。它允许多个进程共享数据和资源，实现协同工作。IPC的主要技术有管道（Pipes）、消息队列（Message Queues）、共享内存（Shared Memory）、信号（Signals）、套接字（Sockets）等。
IPC的原理： IPC的基本原理是通过操作系统提供的机制，在不同进程之间传递数据和信号。操作系统提供了专用的API和系统调用来实现这些功能。每种IPC机制都有其优点和适用场景，选择合适的IPC技术取决于具体的需求。
二、IPC的核心点
-
管道（Pipes）：
- 概念：管道是一种单向通信机制，数据从一端（写端）流向另一端（读端）。
- 实现方式：使用系统调用
pipe创建管道。 - 适用场景：适用于父子进程之间的通信。
-
命名管道（Named Pipes/FIFOs）：
- 概念：命名管道是管道的扩展，允许无亲缘关系的进程通信。
- 实现方式：使用系统调用
mkfifo创建命名管道。 - 适用场景：适用于任意两个进程之间的通信。
-
消息队列（Message Queues）：
- 概念：消息队列是一个存放消息的数据结构，允许进程以消息的形式传递数据。
- 实现方式：使用System V IPC或POSIX消息队列API。
- 适用场景：适用于需要消息传递和排队处理的场景。
-
共享内存（Shared Memory）：
- 概念：共享内存允许多个进程在同一块物理内存区域中读写数据。
- 实现方式：使用System V共享内存或POSIX共享内存API。
- 适用场景：适用于需要高效率大数据量传输的场景。
-
信号（Signals）：
- 概念：信号是一种进程间传递通知的机制。
- 实现方式：使用系统调用
kill发送信号，信号处理函数处理信号。 - 适用场景：适用于异步事件通知。
-
套接字（Sockets）：
- 概念：套接字是一种通用的通信机制，支持本地和网络通信。
- 实现方式：使用BSD套接字API。
- 适用场景：适用于网络和本地进程之间的通信。
三、进程间通信及经典实例详解
1、管道（Pipes）
概念与原理
管道是一种单向通信机制，主要用于父子进程之间的数据传输。管道创建后，数据从一端（写端）流向另一端（读端）。管道是通过操作系统内核缓冲区实现的，具有缓冲区限制，超出限制后写操作会阻塞直到有空间。
核心点
- 创建管道：使用
pipe系统调用创建。 - 读写管道：分别使用文件描述符
pipefd[0]和pipefd[1]。 - 关闭未使用端：避免资源浪费和潜在的死锁。
实现实例
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstring> // for strlenint main() {int pipefd[2]; // 存储管道的文件描述符pid_t cpid;char buf;if (pipe(pipefd) == -1) { // 创建管道perror("pipe");exit(EXIT_FAILURE);}cpid = fork(); // 创建子进程if (cpid == -1) {perror("fork");exit(EXIT_FAILURE);}if (cpid == 0) { // 子进程close(pipefd[1]); // 关闭未使用的写端std::cout << "子进程从管道读取数据:\n";while (read(pipefd[0], &buf, 1) > 0) { // 从管道读数据write(STDOUT_FILENO, &buf, 1); // 将数据写到标准输出}write(STDOUT_FILENO, "\n", 1);close(pipefd[0]); // 关闭读端_exit(EXIT_SUCCESS);} else { // 父进程close(pipefd[0]); // 关闭未使用的读端const char* msg = "来自父进程的消息！\n";write(pipefd[1], msg, strlen(msg)); // 将消息写入管道close(pipefd[1]); // 关闭写端，使子进程看到EOFwait(NULL); // 等待子进程结束exit(EXIT_SUCCESS);}
}
解析：
pipe(pipefd)：创建一个管道，pipefd[0]用于读，pipefd[1]用于写。fork()：创建一个子进程。- 子进程：关闭写端，读取数据并输出到标准输出。
- 父进程：关闭读端，写入数据到管道，然后等待子进程结束。
运行结果：
子进程从管道读取数据:
来自父进程的消息！
2、消息队列（Message Queues）
概念与原理
消息队列是一种存储消息的数据结构，允许进程以消息的形式传递数据。不同进程可以向消息队列发送和接收消息，具有多个发送者和接收者。消息队列可以实现消息的优先级排序。
核心点
- 创建消息队列：使用
msgget系统调用创建。 - 发送消息：使用
msgsnd系统调用。 - 接收消息：使用
msgrcv系统调用。 - 删除消息队列：使用
msgctl系统调用。
实现实例
#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>// 定义消息结构体
struct message {long msg_type;char msg_text[100];
};int main() {key_t key = ftok("progfile", 65); // 生成唯一的键值int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 创建消息队列message msg;if (fork() == 0) { // 子进程msg.msg_type = 1; // 设置消息类型strcpy(msg.msg_text, "来自子进程的消息");msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg), 0); // 发送消息到消息队列std::cout << "子进程发送消息: " << msg.msg_text << std::endl;} else { // 父进程wait(NULL); // 等待子进程结束msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg), 1, 0); // 从消息队列接收消息std::cout << "父进程接收到消息: " << msg.msg_text << std::endl;msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL); // 删除消息队列}return 0;
}
解析：
ftok("progfile", 65)：生成一个唯一键。msgget(key, 0666 | IPC_CREAT)：创建消息队列。- 子进程：设置消息类型，发送消息到消息队列。
- 父进程：等待子进程结束，从消息队列接收消息，然后删除消息队列。
运行结果：
子进程发送消息: 来自子进程的消息
父进程接收到消息: 来自子进程的消息
3、共享内存（Shared Memory）
概念与原理
共享内存是一种高效的进程间通信机制，允许多个进程直接访问同一块物理内存。共享内存是所有IPC机制中最快的，因为数据不需要在内核和用户空间之间进行复制。
核心点
- 创建共享内存：使用
shmget系统调用创建。 - 附加共享内存：使用
shmat系统调用将共享内存附加到进程地址空间。 - 分离共享内存：使用
shmdt系统调用分离共享内存。 - 删除共享内存：使用
shmctl系统调用删除共享内存。
实现实例
#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstring>
#include <unistd.h>#define SHM_SIZE 1024 // 共享内存大小int main() {key_t key = ftok("shmfile", 65); // 生成唯一键int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT); // 创建共享内存段char *str = (char*) shmat(shmid, nullptr, 0); // 附加到共享内存pid_t cpid = fork();if (cpid == -1) {perror("fork");exit(EXIT_FAILURE);}if (cpid == 0) { // 子进程sleep(1); // 确保父进程先写入std::cout << "子进程从共享内存读取数据:\n";std::cout << str << std::endl;shmdt(str); // 分离共享内存_exit(EXIT_SUCCESS);} else { // 父进程std::cout << "父进程写入共享内存:\n";const char* msg = "来自父进程的消息";strncpy(str, msg, SHM_SIZE);wait(NULL); // 等待子进程shmdt(str); // 分离共享内存shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr); // 删除共享内存exit(EXIT_SUCCESS);}
}
解析：
ftok("shmfile", 65)：生成一个唯一键。shmget(key, SHM_SIZE, 0666 | IPC_CREAT)：创建共享内存段。shmat(shmid, NULL, 0)：将共享内存段附加到进程地址空间。- 子进程：等待父进程将数据写入共享内存，从共享内存读取数据并显示。
- 父进程：将数据写入共享内存，等待子进程结束，分离并删除共享内存段。
运行结果：
父进程写入共享内存:
子进程从共享内存读取数据:
来自父进程的消息
4、信号（Signals）
概念与原理
信号是一种用于进程间传递通知的机制。信号是一种异步通信方式，用于通知进程发生了某个事件。每个信号都有一个默认的处理动作，但进程可以定义自己的信号处理函数。
核心点
- 发送信号：使用
kill系统调用。 - 处理信号：定义信号处理函数，并使用
signal或sigaction系统调用安装信号处理函数。 - 信号屏蔽：使用
sigprocmask屏蔽和解除屏蔽信号。
实现实例
#include <iostream>
#include <csignal>
#include <unistd.h>// 信号处理函数
void signalHandler(int signum) {std::cout << "收到信号: " << signum << std::endl;exit(signum);
}int main() {signal(SIGINT, signalHandler); // 安装信号处理函数pid_t cpid = fork();if (cpid == 0) { // 子进程sleep(2); // 等待2秒kill(getppid(), SIGINT); // 向父进程发送SIGINT信号_exit(0);} else { // 父进程std::cout << "父进程等待信号...\n";pause(); // 等待信号}return 0;
}
解析：
signal(SIGINT, signalHandler)：设置SIGINT信号的处理函数。- 子进程：等待2秒后，向父进程发送SIGINT信号。
- 父进程：等待接收信号，当接收到SIGINT信号时，调用信号处理函数
signalHandler。
运行结果：
父进程等待信号...
收到信号: 2
5、套接字（Sockets）
概念与原理
套接字是一种通用的通信机制，支持本地和网络通信。套接字提供了双向、可靠的字节流传输，常用于网络编程。本地套接字（Unix域套接字）可以用于同一主机上进程间的通信。
核心点
- 创建套接字：使用
socket系统调用创建套接字。 - 绑定地址：使用
bind系统调用绑定地址。 - 监听和连接：使用
listen和accept系统调用监听和接受连接。 - 发送和接收数据：使用
send和recv系统调用发送和接收数据。
实现实例
服务端代码（server.cpp）：
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/unix_socket"int main() {int server_fd, client_fd;struct sockaddr_un server_addr;server_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字if (server_fd < 0) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}server_addr.sun_family = AF_UNIX;strcpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH);unlink(SOCKET_PATH);if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) { // 绑定套接字perror("bind");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}if (listen(server_fd, 5) < 0) { // 监听连接perror("listen");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}std::cout << "等待连接...\n";client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL); // 接受连接if (client_fd < 0) {perror("accept");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}char buffer[100];read(client_fd, buffer, sizeof(buffer)); // 读取数据std::cout << "收到消息: " << buffer << std::endl;const char* response = "消息已收到";write(client_fd, response, strlen(response)); // 发送回复close(client_fd);close(server_fd);unlink(SOCKET_PATH); // 删除套接字文件return 0;
}
客户端代码（client.cpp）：
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/unix_socket"int main() {int client_fd;struct sockaddr_un server_addr;client_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0); // 创建套接字if (client_fd < 0) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}server_addr.sun_family = AF_UNIX;strcpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH);if (connect(client_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) { // 连接服务端perror("connect");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}const char* msg = "来自客户端的消息";write(client_fd, msg, strlen(msg)); // 发送消息char buffer[100];read(client_fd, buffer, sizeof(buffer)); // 读取回复std::cout << "收到回复: " << buffer << std::endl;close(client_fd);return 0;
}
解析：
-
服务端：
- 创建套接字并绑定到文件路径。
- 监听连接，并接受客户端的连接请求。
- 从连接中读取数据并打印，然后发送回复。
- 关闭连接并删除套接字文件。
-
客户端：
- 创建套接字并连接到服务端。
- 发送消息给服务端并读取回复。
- 关闭连接。
运行结果：
// Server output
等待连接...
收到消息: 来自客户端的消息// Client output
收到回复: 消息已收到
四、总结
通过上述详细的概念、原理和实例，我们深入理解了C++进程间通信的多种技术。这些技术各有优缺点和适用场景：
- 管道和命名管道：适用于父子进程间的简单数据传输。
- 消息队列：适用于消息传递和排队处理，具有较好的灵活性。
- 共享内存：适用于需要高效传输大数据量的场景，速度最快。
- 信号：适用于异步事件通知和进程控制。
- 套接字：适用于网络通信和本地进程间的通用通信。
在实际应用中，选择合适的IPC机制对于系统性能和稳定性至关重要。希望本文对你在C++进程间通信的学习和应用中有所帮助。